如鲲（Rolechem）新製品「ARC-S40」電解液新型溶媒の評価レポート

如鯤新材の新型電解液添加剤ARC-S40は、硫黄系環状化合物です。短期性能および長期性能の評価を通じて、以下の結論が得られました。

ARC-S40の主な特長： DTDよりも優先的に成膜し、溶媒の分解を抑制することで、電圧降下特性、高温保存性能および高温サイクル性能を大幅に改善します。

添加量によって性能に明確な差が生じます。 1.5%添加では保存性能、サイクル性能および電圧降下特性が最も優れる一方、初期クーロン効率、低温性能および高レート放電性能が低下します。0.5%添加では成膜が不十分となり、高温保存性能がかえって悪化する可能性があります。

1.0%添加が総合性能の最適なバランスを実現します。 初期クーロン効率を維持しながら、電荷移動抵抗（Rct）を大幅に低減し、高温保存性能およびサイクル性能を改善するとともに、低温性能やレート性能への悪影響を抑えます。

1. 電池系および電解液処方

1.1 電池系

電池系：LFP／人造黒鉛電池容量・形状：1.4 Ahパウチセル電圧範囲：2.5～3.65 V

1.2 電解液処方

ベース電解液処方： EC = 3:7、0.4 M LiPF₆ + 0.6 M LiFSI 実験処方：ベース処方 + 1.0% DTD ベース処方 + 0.5% S40 ベース処方 + 1.0% S40 ベース処方 + 1.5% S40

2. 実験結果および分析

① 初期クーロン効率および初回放電容量

ARC-S40は成膜過程で少量の活性リチウムを消費します。添加量が1.0%を超えると、過剰な添加剤に起因する副反応が初期クーロン効率および初期容量の発現に影響し始めます。1.5%添加では、これらの初期性能に軽微な低下が見られます。一方、添加量が1.0%以下の場合、初期クーロン効率はほぼ維持されており、適切な成膜であれば初期の電気化学性能を損なわないことが示されています。

② EIS・dQ/dV・電圧降下特性の分析

dQ/dVの測定結果から、ARC-S40はDTDよりも優先的に成膜し、溶媒の分解を効果的に抑制することが示されました。これにより形成される低インピーダンスの界面膜は、電荷移動抵抗（Rct）を大幅に低減します。 Rctの測定結果は、以下の順となりました。 1.5%-S40 ≈ 1.0%-S40 < 0.5%-S40 < BASE これらの結果から、ARC-S40は優先的な成膜によって電極界面の特性を改善し、電荷移動抵抗の低減および電圧降下特性の改善に寄与すると考えられます。

③ 高温・低温放電性能

55℃では、すべての実験グループにおいて、放電容量維持率がベースグループより約1.0ポイント高い結果となりました。一方、−20℃では、1.5%添加において性能の軽微な低下が確認されました。これらの結果は、適量のARC-S40を添加することで、高温環境下の界面安定性を改善しながら、低温性能への影響を抑えられることを示しています。ただし、1.5%の過剰添加では、界面膜の過度な厚膜化やインピーダンスの増加により、低温での反応速度がわずかに低下する可能性があります。

④ レート性能

低レート放電では、界面膜の改善によって軽微な性能向上が見られました。ただし、この改善がARC-S40の成膜によるリチウムイオンの挿入・脱離特性の変化だけに起因するとは限りません。高レート放電では、ARC-S40を1.5%添加すると、過剰添加によってリチウムイオンの輸送が制限され、放電レート性能が低下します。一方、充電レート性能はARC-S40の添加量が増えるにつれてわずかに向上しました。この結果は、形成された界面膜が負極へのリチウムイオン挿入反応の速度に対して、一定の正の効果をもたらす可能性を示しています。

⑤ 高温保存性能

添加量が1.0～1.5%の場合、容量維持率および容量回復率の両方で明確な改善が見られました。一方、0.5%添加では、性能がある程度低下しました。 DCR変化率にも顕著な差が見られました。1.0～1.5%添加では、DCR変化率は30%未満に抑えられ、ベースグループの41.5%および0.5%添加グループの85.8%を大幅に下回りました。その要因として、0.5%添加ではARC-S40による成膜が不十分となり、電極界面の保護が不足することで、ベース処方よりも保存性能が悪化した可能性が考えられます。一方、1.0～1.5%添加では、より十分な成膜によってSEI膜の安定性と界面保護性能が大幅に向上し、高温保存性能の改善につながったと考えられます。

⑥ 高温サイクル性能

ARC-S40は、高温での長期充放電サイクルにおける界面安定性の改善に寄与します。一般に、添加量が増えるにつれて、サイクル性能の優位性がより安定して現れる傾向があります。ただし、1.0%添加グループでは、試験終盤に容量低下の兆候が見られました。このことから、添加量による成膜耐久性の違いについて、引き続き検証する必要があります。複数の添加剤を併用し、相乗効果を活用することで、さらなる改善が期待されます。

3. 推奨添加量

1.0% — 総合性能のバランスを重視する用途に推奨 高温保存性能、高温サイクル安定性および電圧降下特性が重視されるLFP電池系に適しています。初期クーロン効率、低温性能および高レート放電性能とのバランスにも優れています。 1.5% — 高温安定性を優先する用途向け 電圧降下の抑制と高温安定性を特に重視し、高レート放電への要求が比較的低い用途に限って推奨します。特に、放電レートが2C未満の用途が対象となります。 0.5% — 非推奨 この添加量では成膜が不十分となり、高温保存性能が悪化する可能性があります。今回評価した処方の中では、総合的なコストパフォーマンスが最も低い条件です。