2015 Fiscal Year Annual Research Report
溶媒和イオン液体のリチウム空気二次電池への適用及び電極反応機構の解明
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14J00165
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
多々良 涼一 横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 / 溶媒和イオン液体 / リチウム塩濃厚電解液 / カーボンナノチューブ / 酸素還元反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までの検討結果を踏まえ、これまで取り扱ってきた溶媒和イオン液体中での酸素還元反応解析からリチウム塩濃厚電解液系へと概念を広げて検討を行った。特にここではジメチルスルホキシド(DMSO)を溶媒として用いた場合の通常濃度電解液/濃厚電解液のそれぞれについてリチウム空気電池正極反応に及ぼす影響を米国Massachusetts Institute of TechnologyのElectrochemical Energy Laboratryに留学し調査研究を行った。正極にはカーボンナノチューブの自己支持性薄膜を使用し、バインダーを用いないことによってバインダー高分子の分解による影響を排除した。0.1 M、1 Mといった通常濃度の電解液では放電生成物であるLi2O2に加えて副生成物であるLiOHが確認された。DMSOはリチウム空気電池の放電に対して不安定であり、反応中間体LiO2と反応することによって分解しLiOHを生じることが既に報告されており、先行の報告と同様の結果が得られたと言える。一方で3 MといったLiTFSA濃厚DMSO溶液を用いた場合(モル比LiTFSA:DMSO=1:2.6)、LiOHはXRDから確認されず、副反応が抑制されることが確認された。各濃度における反応中間体溶解度はRRDE法により既に評価しており、3 M程度の濃厚系においてはフリーな溶媒が系中にほとんど存在しないことからLiO2を溶媒和することができず、溶解度は極めて低くなることがわかっている。このことから、濃厚系においてはLiO2が存在せずDMSOを分解しないことが示唆される。上記結果より濃厚電解液を適用する利点を見出したとともに反応機構に対する新たな知見を見出すことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
特に本年度は米国マサチューセッツ工科大学のElectrochemical Energy Laboratoryに留学し、濃厚電解液がリチウム空気電池正極反応に与える影響についてカーボンナノチューブを正極に用いて検討を行った。この結果、ジメチルスルホキシド系の電解液において塩濃度増加に伴い副反応が抑制されることを明らかにした。また、訪問先グループにおいて研究されていたナトリウム空気電池に濃厚電解液を適用する検討も現地の博士研究員らと共に実施し、良好な共同研究関係を構築することができた。上記結果は学術論文として投稿準備中であり、平成27年度の研究活動には期待以上の進展があったと認められる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度、米国との共同研究として得られた空気正極反応に関する結果を論文化し纏めるとともに、グラファイト負極反応に関しても溶媒和イオン液体中での検討からリチウム塩濃厚電解液系へと調査対象を拡大し検討する。今年度までの研究において、濃厚電解液中での(リチウムイオンに配位していない)フリーな溶媒活量の低下が様々な電極反応に特異な影響を与えることがわかってきた。溶媒和イオン液体中でのグラファイト負極反応と溶媒活量の関係性については既に報告済みであるが、これをより一般的な理解へと深めるために各種濃厚電解液中でのフリー溶媒活量とグラファイト負極電極反応の相関について詳細な検討を進める予定である。
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