リチウムイオン電池 (LIB) は常に充電式電池の分野で主流を占めてきましたが、その欠陥により代替品を探す必要がありました。ナトリウムは自然界に豊富に存在し、低コストで電気化学的可能性が高いため、長い間、リチウム電池をナトリウム電池（SIB）に置き換える試みがなされてきました。しかし、ナトリウム電池には安定性が悪いという欠点もあります。

現在、リチウム電池やナトリウム電池の負極の製造には低コストの炭素材料が使用されています。これらのアノードは主に、従来のポリフッ化ビニリデン (PVDF) およびスチレンブタジエンゴム (SBR) ポリマーで結合されています。しかし、これらのポリマーは非イオン伝導性バインダーであり、リチウムイオンやナトリウムイオンを効果的に輸送することができないため、電池の容量比、充電速度、サイクル寿命が大幅に制限されます。

この度、北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）は、新しいタイプの高機能化ポリイオン液体接着剤（DFPIL）を開発しました。大量の水溶性ポリマー PMAI (複数のオキシカルボニルメチレン 1-アリル-3-メチルイミダゾールから合成) を含むバインダーを電池の負極と組み合わせた後、負極に PVDF を使用することの欠点が大幅に改善される可能性があることを発見しました。

研究者らは、LIB電池のグラファイト陽極とSIB電池陽極のハードカーボンバインダーに新しいPMAI材料を加え、これらの電極に対して電気化学試験と充放電サイクル試験を実施した。また、断面画像を使用して電極の内部変化を観察しました。

結果は、LIB の PMAI ベースのバッテリーのアノード部分が 1 クーロン (1 秒間に 1 アンペアの電流によって供給される電荷​​量) で 297 mAh/g のバッテリー容量を示すのに対し、従来のバッテリーを使用した場合の LIB のバッテリー容量はより低いことを示しています。 PVDF 素材 わずか 228mAh/g。さらに、SIB バッテリーのアノードに PMAI を使用した後、PVDF 材料を使用した場合と比較してバッテリー容量がほぼ 30% 増加しました。

さらに、LIB と SIB は両方とも優れたサイクル安定性も示しました。 LIB が PMAI を使用した場合、750 回の充放電サイクル後の最大電池容量維持率は約 80% ですが、PVDF 材料を使用した場合は 72% にとどまり、SIB では 200 サイクル後の容量維持率は 96% になります。しかし、PVDF 素材の使用率はわずか 88% です。

これは、この 2 つが PMAI 材料の影響下で優れた電気化学的性能と高い静電容量を示すことを示しています。性能の向上は、活物質と銅箔への PMAI の強力な付着に関連しており、これにより電気化学的性能が安定し、複数回の充放電後のグラファイト電極の膨張が軽減されます。

さらに、実験者らは、PMAIポリマーを含む接着剤内の構造が密に配置され、ナトリウムイオンとリチウムイオンのシャトルに有利な多くのチャネルを形成し、これらのイオンが炭素とグラファイトの層をよく通過できるようにして抵抗を低減し、バッテリーのイオン伝導率と容量比が向上します。

これらの結果は、PMAI ポリマーを使用した LIB および SIB が実用化の可能性が高いことを証明するのに十分であり、将来的にはより多くの二次電池への応用が期待されます。

この新しい材料のユニークな点について尋ねられたとき、北陸先端科学技術大学の松見典義教授は同校の編集チームに次のように語った。高密度イオン液体を含むこのポリマーベースのバインダーは、ナトリウム電池におけるナトリウムイオンの遅い拡散を効果的に解決します。

同氏は次のように説明しました。「新しいポリマー（イオン液体）は新しいタイプの材料であり、エネルギー貯蔵デバイス、生化学用途、センシング用途、触媒作用およびその他の用途のために集中的に研究されてきました。私たちが開発した新しいポリマーは上記の分野で広く使用されています。」 …利用の可能性がある研究分野について言及した。」

研究結果は9月12日に雑誌に掲載された。「先端エネルギー材料」優れた。

責任編集者：Lian Shuhua#