2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of Air Electrode Catalysts Utilizing MnO2 Nanosheets for Li-air Batteries

Research Project

Project/Area Number	18K05290
Research Institution	Seikei University
Principal Investigator	齋藤守弘成蹊大学, 理工学部, 教授 (20408719)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2024-03-31
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 / 界面・層間カチオン
Outline of Annual Research Achievements	これまでの研究により、我々は本研究の空気極触媒である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）の放電反応を促進し、またその際により均一にLi2O2を生成することから、充電時にも酸化分解がスムーズに進行し易く、サイクル寿命も延伸することを実証してきた。また、KB分散溶液中でMnO2ナノシートを合成するOne-pot合成法を考案し、KB粒子とMnO2ナノシートの超ナノ複合化を達成し、Mn-NS/KB触媒の更なる高活性化に成功した。しかし、現状ではサイクル寿命は向上されるものの、更なる長寿命化にはより持続的な充電過電圧の低減が求められる。そこで、昨年度より複合化するKBに充電過電圧の低減に有効なRuやRuO2ナノ粒子を担持（Ru/KB, RuO2/KB）し、Mn-NS/KB触媒の更なる高活性化を進めている。現状では、One-pot合成で使用する過酸化水素の酸化力の都合により、RuO2/KBで目的のMn-NS/RuO2/KB触媒の合成が可能なことを見出しており、LAB性能も向上することを確認している。一方、現状のカーボンペーパーへ本触媒を塗工して得られる空気極では放電生成物Li2O2の貯蔵スペースが必ずしも十分に確保されているとは言えず、実用化へ向けて本触媒をカーボンナノチューブ（CNT）で構成されるCNTシート空気極と複合化する技術も、昨年度より（国研）物質・材料研究機構と共同研究という形で検討を進めている。その結果、CNTシート空気極でも、同様に放充電過電圧の低減やサイクル寿命の向上が確認できた。今後は、より高容量条件におけるLAB性能の向上やLi2O2粒子の生成・分解挙動について解析し、Mn-NS/RuO2/KB触媒の作用効果についても検討していく。