2015 Fiscal Year Annual Research Report
In-situ複合計測によるリチウム/酸素の移動・反応の統合的解明と電池高性能化
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15H02347
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平井 秀一郎 東京工業大学, 大学院理工学研究科(工学系), 教授 (10173204)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河村 雄行 岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (00126038)
植村 豪 東京工業大学, 大学院理工学研究科(工学系), 助教 (70515163)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム空気電池の高性能化については，放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠であり，本年度は放電に伴う生成物，および酸素輸送現象に着目した実験と数値シミュレーションを実施した．
低エネルギーX線CTで可視化が可能なリチウム空気電池セルを設計し，可視化実験を行った．高電流密度で放電させた際の正極近傍を可視化した結果，棒状の析出物が生成される様子を捉えることに成功した．また，XRD計測の結果から，析出物はLi2O2である可能性が示唆された．さらに正極上部には放電反応により伴って気体が生成されており，四重極型微量ガス分析器による分析の結果，水素が発生していることが分かった．これは想定されるリチウム空気電池の放電反応とは異なり，電解液中の酸素が不足しているため，水の電気分解によって水素が発生していることが明らかになった．これらの結果から，高電流密度になると電極内部での酸素供給に差異が生じ，Li2O2が生成される通常の放電反応とH2の気泡を生成する水の電気分解が共存した状態になっていることが示唆された．
一方，格子ボルツマン法を用いた数値シミュレーションを実施し，リチウム空気電池の出力性能が酸素輸送に強く支配されていることを示した．また，電解液フロー型電池を想定し，飽和濃度まで酸素を溶存させた電解液を多孔質電極に流した時，実用化に必要な出力を得るための流量値を明確にした．
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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，リチウム空気電池の正極多孔質構造中に生成される放電生成物の可視化，および生成物の成分同定に成功した．さらに次年度以降に想定している低エネルギーX線とin-situXRDの複合計測に向けた知見も得られ，可視化セルの設計に向けた準備を進めている．また，数値解析においては，酸素輸送が電池性能の及ぼす影響について，当初の想定以上の知見を得ることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究から，正極多孔質内の放電生成物の可視化解析に必要な技術要素がおおむね確立されており，次年度以降は低エネルギーX線とin-situXRDの複合計測を進める．放電時の電流密度を変化させた際，電圧と空気極内の析出挙動と析出成分がどのように変化するのかを測定する．特に，電流密度が現状で大きくできない原因が酸素不足以外に何があるのか，その理由を詳細に明らかにする．また，充電時に放電析出物がスムーズに溶出するのかどうかを電流密度などのパラメータを変化させて調べるとともに，充電反応のときに生成する酸素が多孔質電極内にとどまり，反応の阻害になっていないかを明確にする．さらに，放電析出物の種類により溶出速度がどのように異なるのかを明らかにする．また，実験条件に合わせた数値シミュレーションを実施する．電池反応により放電生成物が電極内に析出する数値モデルを構築し，充電時に発生する酸素についてもモデル構築をする．特に実験により得られている通常形状のリチウム空気電池の出力密度が上がらない原因について、数値解析の面から明らかにする．
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Research Products
(2 results)
