超音波照射によるリチウム空気電池多孔質電極内の酸素輸送促進と高電流密度化

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03972
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 植村 豪 東京工業大学, 工学院, 特任准教授 (70515163)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: リチウム空気電池 / 酸素輸送

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，リチウム空気電池の空気極に超音波振動を加えることで電解液中に対流（音響流）を誘起し，さらに反応面近傍の濃度境界層を薄くすることで，高電流密度での放電を実現できる酸素輸送の促進を目指す．超音波を照射した多孔質構造内で生じる，移流・拡散・反応が共存する酸素輸送現象を解明することを研究目的とする．
昨年度までの研究において，超音波振動によって正極多孔質電極内に音響流を誘起し，酸素輸送の促進によって正極過電圧が低減できることが明らかになった．本年度は比表面積の異なる多孔質電極を用い，超音波振動による酸素輸送促進効果の差異を調べた．その結果，振動を与えていない場合は，比表面積の大きい電極の方が過電圧は小さくなる一方，振動を与えた場合は比表面積の小さい電極の方が著しい過電圧低減効果が得られ，性能が逆転することが明らかになった．電極内部で生じる音響流の定量的な比較は実施できていないが，電極構造によって空隙内で生じる音響流の強度や流れ場が変化し，酸素の輸送量に差異が生じていると考えられる．
また，長時間放電を実施し，放電生成物が析出した状態で振動を与えた場合の影響についても調べたところ，時間とともに増大していた過電圧が，振動を与えることで低減されることが明らかになった．前述のような音響流による酸素輸送促進だけでなく，析出物の剥離が誘発されて過電圧が低減された可能性が考えられる．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度に構築した，超音波振動によって電解液中に音響流を誘起させるリチウム空気電池を用い，多孔質電極の比表面積をパラメータとして，振動による過電圧低減効果を調べるとともに，長時間放電によって析出物が生じた状態でも振動によって過電圧が低減されることを明らかにするなど，当初の研究計画通りに推進できている．

Strategy for Future Research Activity

本年度に実施した研究から，比表面積が異なる電極では，超音波振動によって得られる放電時の過電圧低減効果に違いが生じることが明らかになった．しかし過電圧の成分（反応過電圧，抵抗過電圧，濃度過電圧）については明らかになっていないため，電気化学インピーダンス計測による放電特性の解析を進める．また，長時間放電による析出物が生じた際，振動によって過電圧が低減する要因も明らかではないため，振動を与える前後の電極内部の状態を比較観察し，交流インピーダンスの結果とも併せて，過電圧低減のメカニズム解明を目指す予定である．

Causes of Carryover

実験に用いる可視化セルについて，設計を工夫することで当初予定よりも安価に作製することができたため，繰越額が生じた．繰り越し分については，令和2年度に電気化学インピーダンス計測等に用いる予定である．