対流起因勾配拡散と電気泳動が重畳干渉するイオン輸送現象解明と可逆電池への発展
| Project/Area Number |
23K22683
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| Project/Area Number (Other) |
22H01412 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
平井 秀一郎 東京工業大学, 工学院, 教授 (10173204)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
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| Keywords | 濃度勾配 / 亜鉛空気電池 / デンドライト / フロー式 / 対流 / 亜鉛 / 空気電池 / 拡散 / 電気泳動 |
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| Outline of Research at the Start |
究極の電池である亜鉛空気電池内で流動する溶液中でのイオンの輸送と析
出に関する未解明事象を，X線のin-situ計測を核として学術的な基礎
として解明する研究を推進する．これにより，充電と放電が共に可能な可逆電池の
原理を確立する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
亜鉛空気電池は，高エネルギー密度，低コストであることから，次世代二次電池として注目されている．しかし，高速充電時に亜鉛の樹枝状結晶（デンドライト）が成長し，内部短絡によって電池機能を喪失する課題がある．デンドライトは亜鉛極表面の濃度勾配により電位差が生じ，析出先端の局所電流が大きくなることにより誘起されると推定されていることから，デンドライト成長を抑制する手法として，フロー型亜鉛空気電池を対象にしている．フロー型亜鉛空気電池は電解液の流動により亜鉛イオン分布の不均一性を抑制することができ，先行研究により電池動作の可逆性の向上が実証されている．しかし，電池動作中の亜鉛極挙動は明らかになっておらず，更なる高速充電の実現には，電解液流動条件下での亜鉛極挙動の理解が重要である．そこで本研究では，フロー型亜鉛空気電池の充電時における亜鉛極挙動の解明を目的として，電解液流動条件ならびに充電速度を変えたオペランドX線イメージングを実施した．その結果，電解液の流れなしで充電を行った場合，亜鉛はデンドライト構造で析出し，高電流密度（100 mA/cm2）条件ではデンドライトの成長速度が上がるのに対し，電解液を流動させて充電を行った場合，電流密度条件に関わらずデンドライト成長が抑制され，緻密な亜鉛析出になることが明らかになった．また，流れなしでは発生した気泡が電極表面に滞留し，反応表面積の減少により過電圧が増加するが，流れありでは電解液流動により気泡が電極表面から除去されることで，過電圧増加が抑制されることが明らかになった．本研究を総じて，電解液流動は亜鉛析出の均一化と過電圧増加の抑制により電池性能を向上させるといえる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画に示したように，亜鉛空気電池に対して，電解液を流動させ輸送現象を制御できるることを実証している，電解液中におけるイオンと亜鉛溶出の輸送現象が電池性能に及ぼす影響について，電解液フロ―型セルを用いることで，デンドライト生成を抑制できることをX線イメージングにて観察した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究において，電解液フロー系において、電極表面の形態観察をX線の２次元観察をとおして，明らかにした．次年度以降はこれらの技術を適用しながらも、３次元的な形状を明確にすることを電極反応のin-situで実施し，電池を高性能化する指針を明確にする．
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
