2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of Air Electrode Catalysts Utilizing MnO2 Nanosheets for Li-air Batteries
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18K05290
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| Research Institution | Seikei University |
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Principal Investigator |
齋藤 守弘 成蹊大学, 理工学部, 准教授 (20408719)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸化マンガンナノシート / 空気極触媒 / リチウム空気電池 / ナノカーボン複合体 / 一段階合成法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度の2018年度は、当該空気極触媒であるMnO2ナノシートをケッチェンブラックと複合化した空気極触媒（Mn-NS/KB）について、特にその特徴の一つであるナノシート界面に介在するLi+がLi空気電池（LAB）の放充電反応に及ぼす影響を調査した。すなわち、Na+及び K+型 Mn-NS/KB 触媒を合成し、LAB の放充電特性を比較することで、触媒活性サイト近傍にキャリアイオン且つ反応種であるLi+が高濃度に存在すると、空気極でのLi2O2生成（放電反応）と酸化分解（充電反応）の双方を促進することを見出した。また、走査型プローブ顕微鏡にて本触媒ナノシートを評価したところ、5層以上の重なりを有しており、更に剥離することで比表面積を増大し触媒活性サイトも増加して、Li2O2堆積にもより埋もれ難い形態となるほか、Li+カチオンの更なる有効利用も期待できることを確認した。そこで、2019年度は、特にMnO2ナノシートの更なる剥離とKB粒子との高分散複合化について種々検討した。その結果、中でも従来法のナノシートコロイド溶液にKB分散溶液を添加し、その後LiCl水溶液の添加でMn-NS/KB触媒を得る手法に対し、KB分散溶液中で直接MnO2ナノシートを合成すると、MnO2ナノシートがKB粒子とより高分散で複合化し得ることを見出した。X線回折分析やBET比表面積測定等の結果から、現状では、ナノシート剥離の面では必ずしも従来法に勝るわけではないが、LABの放充電特性では従来法の結果と遜色なく、高分散複合化によりMnO2ナノシートの触媒活性が向上しているものと示唆された。すなわち、本手法の最適化によりナノシート剥離も促進することで、従来法を凌ぐ高活性なMn-NS/KB触媒が得られる可能性が見出された。また、本手法は一段階合成法のため、合成時間の短縮や合成プロセスの簡略化にも繋がった。
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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
研究実績の概要に記載した実験的検討に加え、本研究では既に空気極へのLi2O2生成分解反応に対して、非暴露の走査型電子顕微鏡による観察やエネルギー分散型X線分析等にも着手しており、実際にMn-NS/KB触媒を用いたLABの放充電後の空気極の評価からメカニズム解析も進めている。その結果、一段階合成法によるMn-NS/KB触媒ではMnO2ナノシートがより高分散に空気極上に存在することを確認し、また放充電試験後もLi2O2の酸化分解がより促進されていることも確認されている。すなわち、本触媒ではMnO2ナノシートの高分散化が重要な触媒活性の向上のための因子であり、昨年度の結果より、それはナノシート界面のLi+をLi2O2の生成分解反応に対して如何に有効に機能させるかに関係しているものと考えられる。この点に関しては、同時にフリーズドライ装置も組み合わせた検討も進行中であり、更なるナノシートの剥離技術の向上と共に、本触媒の反応メカニズムの解明も着々と進めているところである。このように2019年度の検討から、本触媒について今後の展開を図るべく一定の知見が得られたことから、全体としておおむね順調に進展しているものと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の通り、本触媒の性能向上の一つの因子として、MnO2ナノシートの界面を更に利用できるように、ナノシートを剥離し介在するLi+が触媒活性サイト近傍にてLi2O2生成分解反応に対して有効に機能するよう触媒のナノカーボンとの複合構造をつくり込んでいくことが重要であることがより明確になってきている。したがって、次年度はこの一段階合成法の合成条件を更に最適化すると共に、ナノシート間を均一に保持し、且つ電子導電性も向上すべく、複合化するナノカーボンの種類や量についてもより最適なものにしていく。また、分析法としては2019年度に新たに四重極型質量分析計（Q-mass）を配備したことから、LAB評価の重要なポイントの一つである、充電時に発生するO2ガス量についても触媒活性の指標の一つとして検討を開始し、LABの放充電特性や試験後の空気極の種々の分析法と組み合わて、Mn-NS/KB触媒の特異な触媒メカニズムの解明に繋げていきたいと考えている。更に、初年度より継続して整備を進めているO2ガスフローや上記のQ-massなどガスフロー関連設備を更に改善且つ活用し、LAB評価環境の整備を含め本研究を加速していく予定である。
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Research Products
(5 results)
