電解質の研究者がエネルギーに関する課題を解決
シカゴ大学のアマンチュクウ研究グループは、TA Instruments社およびWaters社の技術を用いた、電池および電極触媒の最先端のアプリケーション向けに新規電解質媒体の設計と合成を行っています。
テクノロジー：Waters™ TA Instruments™ Q500 熱重量測定装置、Q2000示差走査熱量計、ディスカバリーハイブリッド レオメーター（DHR）、TAM IV熱量計
シカゴ大学における電解質研究
シカゴ大学プリツカー分子工学部のアマンチュクウ研究室は、エネルギー関連の課題、特にエネルギー貯蔵と電極触媒の創造的な解決に取り組んでいます。同グループは、電池や電極触媒への応用を目指し、新しい固体・液体電解質媒体の設計・合成、電解質の不安定性とイオン輸送現象の研究に注力しています。
エネルギー貯蔵や電極触媒デバイスにおいて、電解質はイオンや分子の輸送を支える重要な要素です。この研究室では、化学の概念と生物学のツールを用いて、電極と電解質の界面における界面現象の制御と劣化機構の解明を目指しています。研究チームは、核磁気共鳴法（NMR）と分子動力学法（MD）を用いて、それぞれイオン輸送挙動とイオン溶媒和環境の研究を行っています。アマンチュクウ研究グループは、米国エネルギー省の学際的な科学・工学研究センターであるアルゴンヌ国立研究所とも協力し、エネルギーデバイスのin situ解析およびoperando解析の高度な特性評価ツールを使用しています。
Waters Corporationの子会社であるTA Instrumentsの技術を活用し、アマンチュクウ研究室は、バッテリーや電極触媒の最先端アプリケーションに向けた新しい電解質媒体の設計と合成を行っています。
アマンチュクウ博士とそのチームは、次世代電池に使用できる新しい低分子、ポリマー、ハイブリッド固体電解質の合成の限界を押し広げています。
WATERS社との連携
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授のチブエゼ・アマンチュクウ氏は、他の研究者が熱分析、レオロジー、マイクロカロリメトリーをさまざまな用途でどのように利用しているかを学び、
同じ技術を新しい電解質媒体の設計と合成という自身の研究に応用する方法を研究しました。
アマンチュクウ博士は、他のサプライヤーも検討しましたが、チームが目標を達成するために必要な科学的専門知識と装置を所有していたのは、TA Instruments社とWaters社のみでした。
博士は次のように述べています。「この技術をまったく新しいアプリケーションに用いたのですが、市場にあるどの機器も適していませんでした。幸いなことに、TA Instruments社とWaters社は経験が豊富で、当研究所に役立てる方法を知っていました。 TA Instruments社およびWaters社のチームとは、何度もミーティングやメールのやりとりをしました。さらに、何か問題が起こった時は、相談すればすぐに解決策を提示してくれます。」
「電解質に関する現在の研究の多くは、”西部開拓時代”のようなアプローチで、何かを混合して効果があるかどうかを確認しているのが現状です。私たちはそのプロセスにさらに科学性を持たせようとしているのです。電解質の特性を分析し、ある特性を変えることで電池に特定の影響を与えることを意図して電解質を設計するために何が必要かを理解したいのです。」
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
次世代電池の設計
エネルギー密度の高いコンパクトな電池が利用可能になったことで、交通機関の電化やエネルギーグリッドへの再生可能エネルギーのさらなる統合に関心が集まっています。リチウムイオン二次電池は、最高のエネルギー密度を持つため、現在最も選ばれている電池です。しかし、長距離電気自動車や新しい電子機器、二酸化炭素排出量の削減といった飽くなき要求に応えるには、エネルギー密度もコストも不十分なのが現状です。
多くの次世代電池は、電解質の選択によって制限されます。これは、ほとんどの電解質で高いイオン伝導度と低い電気化学的安定性が一般的に観察されるからです。そこでシカゴ大学アマンチュクウ研究室では、次世代電池の合理的な設計のために、高いイオン伝導性と高い電気化学的安定性を持つ新しい分子の設計を研究しています。1研究室では、次のようなテーマを中心に研究を行っています。
- 新しい電解質の合成
- 電極：電解質界面の特性評価
- 高エネルギー密度電池
- 選択的かつ効率的な電極触媒反応
シカゴ大学の新助教授に就任したアマンチュクウ博士は、次世代電池（リチウム金属電池、固体電池、多価電池）や二酸化炭素（CO2）の電気分解に組み込むことができる新しい低分子、高分子、ハイブリッド固体電解質の合成において境界線を押し広げています。2
研究室では、バルク電解質の構造（溶媒和など）と、電極と電解質の界面で起こる電気化学反応（望ましい反応と望ましくない反応）の関連付けに取り組んでいます。また、電極触媒媒体における溶媒和効果を理解し制御することで、CO2を価値ある製品に変換するための高い選択性かつ効率的な電気化学リアクターの設計の最前線にも立っています。博士は、この研究の影響について次のように述べています。
「電解質は、電池の部品として忘れられがちな存在です。理想的な電解質は、イオンが行ったり来たりできるようになっているはずです。しかし、実際のシステムでは、多くの場合、電池が故障したり、寿命が短くなったりする主な原因となっています。その理由は、よく理解されていないためです。私たちは、電解質の設計にもっと科学性を持たせたいと考えています。私たちは、分子設計戦略を使って電解質を開発し、それが電池セルでどのように作用するかを予測しています。」
このような予測には、多くの電池化学における電気化学的性能の劣化の主な原因である望ましくない寄生反応の低減も含まれるでしょう。
TAM IVマイクロカロリメトリーシステムは、普遍的な熱信号の測定と、定量的な熱力学の測定および電解質の動的挙動の測定に使用されます。
アマンチュクウ研究室では、バルク電解質の構造と、電極と電解質の界面で起こる電気化学反応との関連付けを研究しています。
このような電極材料と非水系電解質との副反応は、実用的なアプリケーション向けの次世代電池を設計する上で重要な要素となります。
アマンチュクウ博士は次のように述べています。「電解質が不安定だと、その電池の電極に接触したときに、好ましくない反応（寄生反応と呼ばれる）を起こしてしまうことがよくあります。つまり、本質的につながっているのです。優れた電解質液の定義のひとつは、こうした寄生反応をいかに防ぐかということです」。
アマンチュクウ博士は、新しく設計された電解質と、イオン輸送と電気化学的劣化に関する理解の向上により、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命を持つ電池の製造が可能になると考えています。これは将来、エネルギー密度の高いコンパクトなバッテリーの製造品質と、これらのバッテリーの使用方法に大きな影響を与える可能性があります。博士は次のように説明しています。
「次世代電池は50%以上の性能向上が可能だと考えています。これにより、より多くのアプリケーションに利用できるようになります。例えば、このようなレベルの改善により、電気自動車を一般消費者が購入しやすいように改善することができます。そして、これらの電池は、現在想定していないような数多くのアプリケーションに使えるようになるのです。」
このような広範囲の目標を達成するために、アマンチュクウ研究室は、わずか10〜20年前には想像もできなかった新たなアプリケーションを見出した別の業界、つまり医薬品業界にヒントを得ています。
「TAM IVマイクロカロリメトリーシステムを使用するのは、非常に刺激的です。この研究に必要な熱流の感度を持つ装置は他にはありません。マイクロカロリメータで多くの情報を収集できることがわかり、非常に使いやすくなりました。しかし、他の手法と組み合わせることで、さらに研究のヒントを得ることができるのです。もう一つの利点は、使いやすさです。最小限のトレーニングしか受けていない人でも、ユーザーがすぐに機器を把握できるよう、非常にシンプルに作られています」。
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
生物学からの着想
すべての化学的および生物学的プロセスは、熱生成または熱消費に関連しています。アマンチュクウ博士は、製薬業界が化学プロセスにおける熱放出や熱吸収を測定する技術（例えばマイクロカロリメトリ）を利用していることから自身の研究のヒントを得ました。
そこで、同じ装置を用いて、さまざまな電池の化学反応における電解質の界面を解明することを思いついたのです。アマンチュクウ研究室では、多くのツールの中で、速度論的・熱力学的定量化のためのマイクロカロリメトリーと、化学的特異性のためのNMR（固体および溶液状態）を使用しています。3
アマンチュクウ博士は次のように説明しています。「製薬や創薬の世界では、すでにタンパク質や薬物結合の相互作用を測定したり、細胞の挙動から放出される熱を測定するためにこの技術が使われています。そこで「同じことができないだろうか」と考えるようになりました。化学的なプロセスは、結合の相互作用が普遍的であるため、電池に使うか材料科学に使うかには関係ないのです。私たちは積極的に他の業界を調べ、彼らが興味のある問題に答えるために何が役立つかを調べ、同じツールが電池、電解質、材料科学の分野で同様の問題に答えるのに役立つかどうかを検討しています。」
Waters社と協力し、アマンチュクウ研究室の科学者は、TA Instruments TAM IV マイクロカロリメータシステムを使用して、普遍的な熱信号の直接測定、つまり電解質の熱力学的および動力学的挙動の定量的測定を開始しました。TAM IV の熱流感度と長期の温度安定性により、アマンチュクウ博士と彼のチームは、他の技術では検出できなかった多くのプロセスを測定できるようになりました。
そのほか、ラマン分光法、赤外分光法、質量分析法など、すべてWaters社によりサポートされています。アマンチュクウ博士は、TA Instruments社とWaters社の技術の新しい組み合わせのテストに特に関心を持っており、チームの最先端の電解質研究の可能性を見出しています。博士は次のように説明しています。
マイクロカロリメトリーは定量的な理解を与えてくれる素晴らしい技術ですが、この技術を分光学的手法と組み合わせることで、熱量計で見られる熱放出や熱吸収が2つの官能基間の相互作用によるものであることを示すことができるのです」。このようなマルチモーダルなアプローチにより、両方のメリットを享受することができます。
さらにアマンチュクウ博士は、生物学的な研究でよく使われるハイスループットなスクリーニングツールが、電解質の特性の迅速なスクリーニングにも展開できる可能性を見出しています。現在の予算の制約がなければ、製薬やライフサイエンス分野のWaters社の顧客にも広く知られ、利用されているこの先進的な技術は、電解質の研究に大きな影響を与える可能性があると博士は考えています。
「学内の他部署の機器を利用できるので、とても助かっています。成長中の研究室として、私たちは大きな野心を持っており、私たちの実験に高度なスクリーニングを加えるために、独自のWaters質量分析計をぜひ導入したいと考えています。このスクリーニング方法は製薬会社でも使われているもので、原理は同じです。もし、どんな病気でも治せる薬を発見しようとしたら、試せる分子は何兆個もあるわけです。その課題に対してどのように実現可能なアプローチをするのか。それは、電池においても直面している同様の課題です。」
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
データサイエンス
アマンチュクウ博士とそのチームは、人工知能（AI）や機械学習（ML）ツールが、次世代電池の電解質化合物の新しいアイデアを生み出し、CO2電極触媒の新しい溶媒和挙動を調査する可能性もあると考えています。
データサイエンスや計算の専門家と協力し、自然言語処理（NLP）ツールを使って、実験的に測定された電解質の特性をデータベース化する予定です。MLモデルは、アクセス可能な電解質の特徴（分子構造など）と導電性や安定性などの特性を関連付けるために作成することができます。4
アマンチュクウ博士は次のように説明しています。
「今私たちが行っていることは、よりマニュアル化されています。だからこそ、この研究にデータサイエンスが与える影響に興味があるのです。何十年も電解質の研究に取り組んで成果が出ないこともあれば、データサイエンスのアプローチにより研究室で調査できる可能性を絞り込むこともできます。」
アマンチュクウ博士は、製薬業界がマイクロカロリメータで化学プロセスの熱放出と熱吸収を測定する方法から、研究のヒントを得ました。
図 1：データサイエンスは、最終的には、熱プロファイルの理解を深めることで、電池化学における電解質の挙動に関する予測的な知識を得るために使用できます。
「これらの電解質がミリグラム単位で製造できることは分かっていますが、グラムやキログラム単位で製造できるでしょうか？私たちの仕事の醍醐味は、企業と話をして、私たちが作る化合物に興味を持ってもらうことです。それらが機能し、有用であることを示すことができれば、企業はそれをスケールアップし、製造工程で使用することができるのです。」
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
実社会への応用
エネルギー密度の高いコンパクトな電池の可能性は、特に気候変動に関連する社会的課題に対処できるのではないかと、他の関係者の関心を集めています。アマンチュクウ研究室の研究は、次世代電池の設計に大きな影響を与えています。グループはアルゴンヌ国立研究所と協力して、パイロットスケールの電解質溶媒を製造し、民間企業がバッテリー製造に使用するためにスケールアップすることに関心を持っています。
アマンチュクウ研究室の研究の実社会への応用範囲は多岐にわたっており、最終的にはシカゴ大学のアントレプレナーシップ＆イノベーションポルスキーセンターと連携して、研究成果のさらなる発展に関心を持つ企業を探す予定です。
「私たちは、ポルスキーセンターと協力して、開発した新しい化合物に取り組んでいます。電解質の研究をしていてよかったと思うのは、これを学問の世界から商業的に実用化できることです。電解液の場合は、現在電池に使用している液体を当社の新しい電解液に置き換えるだけなので、生産資源を変更する必要はありません」。
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
次のステップへ
アマンチュクウ研究グループは設立されたばかりの研究所であるため、その研究において長期的な可能性を見据えています。5年程度で、新しい電解質設計戦略によってエネルギー密度の高い次世代電池を開発するという研究室の目標を達成できるだろうと、アマンチュクウ博士は考えています。しかし、博士は、電解質がどのような挙動を示すかを試験前に予測する方法論や、これらの化合物がなぜそのような挙動を示すのかについての洞察も深めたいと考えています。博士は、その可能性の一つについて次のように述べています。5
「私たちのアイデアの一つは、モジュール式の新しい電解質化合物を開発することです。もし 3 つの構成要素があれば、化学の要求に基づいてその構成要素を交換できます。このモジュール式のアプローチは、幅広い研究資料を提供するだけでなく、臨機応変に適応できるためたいへん面白いです。新しい電池化学が生まれ、それに特定の機能は必要であることがわかれば、それらのブロックを配列し、互いに結合する方法を変えることによって、新しい分子設計で組み合わせることができるのです」。
しかし、より大きな視点では、アマンチュクウ研究室の最先端の研究が、エネルギーの生産、供給、消費のあり方にどのような影響を及ぼすかということです。例えば、バッテリー寿命の改善は、気候変動や社会や天然資源に長期的な影響を与えますそれは、エネルギー供給だけでなく、健康やインフラ、交通システムに与える影響の改善にもつながる可能性があります。
「エンジニアリングの視点は、プロジェクトの設計に確実に反映されています。また、社会的な課題を解決するために、どのように規模を拡大できるかも念頭に置きたいと考えています。最終的には、エネルギーに関する課題を創造的に解決することで、気候変動に関連する問題を解決することができるのです。」
– チブエゼ・アマンチュクウ博士
アマンチュクウ研究室主任研究員兼シカゴ大学準教授
参考文献
- Amanchukwu, C.V.; Yu, Z.; Kong, X.; Qin, J.; Cui, Y.; Bao, Z. A New Class of Ionically Conducting Fluorinated Ether Electrolytes with High Electrochemical Stability. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16, 7393–7403.
- Yu, Z.; Wang, H.; Kong, X. et al. Molecular Design for Electrolyte Solvents Enabling Energy-dense and Long-cycling Lithium metal Batteries. Nat. Energy. 2020, 5, 526–533. https://doi.org/10.1038/s41560-020-0634-5.
- Gunnarsdóttir, A.B.; Amanchukwu, C.V.; Menkin, S.; Grey, C.P. Noninvasive In Situ NMR Study of “Dead Lithium” Formation and Lithium Corrosion in Full-Cell Lithium Metal Batteries. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 49, 20814–20827.
- Amanchukwu, C.V. The Electrolyte Frontier: A Manifesto. Joule, 2020, 4, 1–5.
- Ma, P.; Mirmira, P.; Amanchukwu, C.V. Effect of Building Block Connectivity and Ion Solvation on Electrochemical Stability and Ionic Conductivity in Novel Fluoroether Electrolytes. ACS Central Science 2021 7 (7), 1232–1244.