2018 Fiscal Year Final Research Report

Design of interface property in sheet-type all-solid-state iron-air batteries and challenge for their improved high capacity

Research Project

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Project/Area Number	17K18985
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Research Field	Materials engineering and related fields
Research Institution	Toyohashi University of Technology
Principal Investigator	MATSUDA Atsunori 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70295723)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	武藤浩行豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20293756) 河村剛豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10548192) TAN WAIKIAN 豊橋技術科学大学, 総合教育院, 助教 (10747695)
Project Period (FY)	2017-06-30 – 2019-03-31
Keywords	金属空気電池 / 鉄負極 / 固体電解質 / 全固体電池 / カーボンペーパー / 高分子バインダー / コアシェル粒子 / 亜鉛負極
Outline of Final Research Achievements	Iron is a low-cost, abundant, and environmentally safe metal. We are aiming at the fabrication of sheet-type all-solid-state iron/air batteries using iron as an anode active material. We have successfully prepared the iron core-carbon shell (Fe@C) particles from gels consisting of polyacrylic acid (PAA) and FeCl3 based on their electrostatic interaction. By heat treating and reducing the resultant gels in the inert atmosphere, Fe@C particles were loaded on carbon paper or Ni foam about 10 mg cm-2. It was found there are no peel-off and no detachment of Fe@C particles from the carbon paper or Ni foam even after the charge-discharge repeat tests. A noteworthy finding is that by adding Na2S into the electrolyte the discharge capacity remarkably increased to 500 mAh g-1(Fe). All-solid-state Fe/air and Zn/air batteries were fabricated using sol-gel-derived KOH-ZrO2 solid electrolyte and polymer binder such as polyvinylidene fluoride and polyvinyl alcohol.
Free Research Field	材料工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	金属/空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を用いるため体積当たり高いエネルギー密度が実現できることから革新的次世代蓄電池として期待されている。本研究では、廉価で環境調和性にも優れた鉄および亜鉛空気電池用鉄負極の界面制御手法を考案し、その電気化学的特性への影響を詳しく調べた。また、これらの金属複合体負極を用いて界面特性の比較・評価を行った。さらにゾル-ゲル法で作製されるKOH-ZrO2固体電解質と高分子バインダーを用いて全固体化に取り組んだ。得られた知見は、全固体金属空気電池の界面設計に有用な指針を与えるものであり、その実用化に大きく貢献するものである。