2016 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, 工学院, 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, 工学院, 特任准教授 (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る．そこで本年度は放電時の酸素輸送現象に着目した実験を実施した．
リチウム空気電池の正極の反応は，多孔質内に酸素が溶解・拡散することで起こるが，酸素の拡散速度が遅いために反応が気液界面近傍に集中し，濃度過電圧を生じてしまう．一連の酸素輸送現象解明するため，微細ファイバを用いた光誘起燐光法により，放電時における正極多孔質内の酸素濃度を計測した．
実験においては，直径110 μmの微細ファイバの一端に白金ポルフィリン錯体（PtTFPP）を混入した塗料を塗布し，他方から励起光(405 nm)の照射と燐光(650 nm)強度の計測ができる光学系を構築した．燐光強度は酸素濃度に依存して変化することから，微細ファイバ先端近傍の酸素濃度の計測が可能である．実験の結果，厚み340 μmの正極多孔質内における酸素濃度分布の空間的・時間的な変化を明瞭に捉えることに成功した．電流密度が非常に小さい条件（0.10 mA/cm2）において，正極多孔質内の酸素濃度が大幅に低下し，放電に対して十分な酸素供給が実現できていないことを示唆する結果が得られた．
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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
従来は計測できなかった，リチウム空気電池正極多孔質内の電解液中の酸素濃度をその場(in-situ)で計測することに成功した．実験の結果，リチウム空気電池の電流密度が大きくできない要因として，正極多孔質内における酸素輸送が要因であることが明らかとなった．さらに別途これまでの検討の結果から，気相界面近傍の電極構造を制御することで，酸素輸送効率が大幅に向上することが示唆されており，電池の高出力化に向けた設計指針を有している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究から，現行の正極多孔質構造では十分な酸素が輸送されないことが実験から明らかとなり，さらに気相界面近傍の電極構造制御によって酸素輸送特性が向上されることが示唆されている．それぞれの結果をふまえ，次年度以降は構造を制御した正極多孔質電極を作製し，実際のリチウム空気電池の高出力化を目指した実験を実施する．電極構造の空隙率や空隙径をパラメータとした実験を行い，高い電流密度を実現できる電極構造を明らかにする予定である．
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