2018 Fiscal Year Research-status Report
Study on CNT Sheet Air Electrode for developing Ultra-high Cell Capacity in Lithium-Air Batteries
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17K18346
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
野村 晃敬 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 研究員 (30746160)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / リチウム空気電池 / 空気極 / リチウム酸化物 / 過酸化リチウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電気自動車や再生可能エネルギーの普及には、大量のエネルギーをコンパクトかつ低コストに蓄えることができる蓄電池が必要とされている。リチウム空気電池は、原理上は現在のリチウムイオン電池と比べ10倍超のエネルギー密度をもっており、極めて高容量なセルを作成しうる。ところが実際のリチウム空気電池セルでは、カーボン正極（空気極）に析出する放電生成物による目詰まり、あるいは不動態化が起きることから、大きな容量を引き出すことは難しい。その中で最近、シート状のカーボンナノチューブ（CNT）を空気極に用いたセルにおいて、従来より飛躍的に大きな放電容量を取り出せることがわかった。本研究では、CNTシート空気極が高容量化をもたらすメカニズムを明らかにし、安定かつ高容量なCNTシート空気極の設計指針を確立することを目標としている。
平成29年度までに、CNTシート空気極がセルの高容量化に寄与するメカニズムを検討し、CNTシート空気極の構成によっては放電容量をほぼ際限なく引き伸ばせることを実証した。それに続き平成30年度は、種々のCNTからCNTバンドルの太さや空孔率等の異なる空気極を作成し、電極面積あたりおよび電極重量あたりの容量を両立させた電極、すなわち薄くて軽い高容量なCNTシート空気極を開発した。これにより高エネルギー密度なセル設計が可能となったことから、平成31年度はCNTシート空気極用いたリチウム空気電池セルの充放電特性を評価し、CNTシートの充放電反応耐久性を調べる予定である。
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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
CNTシートがセルを高容量化させるメカニズムについては、不織布状で柔軟かつ強靭なCNTバンドルで構成されるCNTシートの特徴に由来して理解できるものであることがわかった。従来の通常のカーボン空気極では、電極として取り扱うためにカーボンどうしを強固に結合させる必要がある。それゆえ放電反応にともなう放電生成物の析出は電極内にある相対的に小さな空孔に蓄積できる量が限界となる。その一方でCNTシート空気極は、シート自体が膨張することで原理的にはいくらでも放電生成物の析出は可能になり、それゆえ従来の電極のような容量制限はない。放電生成物の析出がしやすいようCNTシート電極の構造を調整することで、ほぼ無制限に放電容量を引き伸ばせることを実証できたことは、当初の目標以上に得られた成果である。
一方で、絶縁性の放電生成物（過酸化リチウム）がどのようなメカニズムでCNTシートを構成するCNTバンドル周りに大量析出できるのかについては、必ずしも明らかにできておらず、今後も引き続き検討していく必要がある。放電過程におけるリチウム空気電池セルのインピーダンス測定においては、放電が進行しても正極抵抗は必ずしも大きくなることもなく、CNTシートに析出する放電生成物がある程度の導電性を有していることが推測されるが、引き続き検討を行う。
以上のようにセルを高容量化させるCNTシートを用い、高エネルギー密度セル、すなわち軽くて大容量なセルの開発へと展開するには、CNTシート空気極が設計エネルギー密度に対して十分に薄く軽い必要がある。そこで種々のCNTから空孔率や表面積の異なるCNTシートを作成し、ガス拡散経路も含めて合計の厚み200μm以下で20mAh/cm2超放電可能なCNTシート空気極（CNT重量あたり8000mAh/g超）を作成することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでにCNTシート空気極による高容量化メカニズムの理解が進み、それによって高エネルギー密度設計可能なCNTシート空気極の作成ができるようなった。最終年度は、CNTシート空気極を用いたセルの充放電サイクル特性を検討し、CNTシートの酸化還元安定性、充放電耐久性などを評価する予定である。
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