2019 Fiscal Year Annual Research 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, 主任研究員 (30746160)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 / 空気極 / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム空気電池は理論上最大のエネルギー密度を有する化学電池であり小型軽量で高容量な蓄電池セルの創出が期待されている。従来リチウム空気電池正極（空気極）における放電生成物の析出による電極目詰まりのため実際のリチウム空気電池セルにおいて容量を取り出すことは困難だった。
その中で柔軟で強靭な導電性ネットワーク構造を作るカーボンナノチューブシートをリチウム空気電池空気極に適用することでセルの高容量化に成功し実用十分なセル容量が得られるようになった。シート状カーボンナノチューブをガス拡散層とシームレスに一体化させた正極の開発を行いカーボンナノチューブ空気極を用いたリチウム空気電池セルの積層および高エネルギー密度設計も可能となった。
カーボンナノチューブシートの基礎的な電気化学特性の検討から、リチウム空気電池セル内部において電気化学的に活性な表面がカーボンナノチューブシートの比表面積に比例していることが明らかになった。よってカーボンナノチューブが持つ表面全体が電池反応場として機能しうることが明らかとなり、カーボンナノチューブの高表面積化により大きな出力特性を得られる可能性がある知見を得た。
そこでカーボンナノチューブシートを構成するカーボンナノチューブ原料とシート化プロセスを調整し、様々なカーボンナノチューブバンドルのネットワーク構造を有するカーボンナノチューブシートを作成してその電極特性を検討した。するとシート表面積よりもむしろ空孔分布がセルの出力特性を支配していることが分かった。すなわちシート表面積は電池反応進行に一定程度以上必要だが、それ以上は電池反応面に酸素やリチウムイオンなどの電池反応物を拡散供給する空孔が律速となって出力を決めていることが分かった。カーボンナノチューブシートの空孔分布の最適化検討の結果、従来リチウム空気電池セルよりも10倍超の出力を得ることが可能となった。
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