2020 Fiscal Year Research-status Report
Studies of Li-Air Batteries Utilizing Seamless Activated Carbon Electrode and Metal/Metal-Oxide Catalyst
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19K04998
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
畠山 義清 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (90633313)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白石 壮志 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (40292627)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 / オペランド測定 / 小角・広角X線散乱 / X線吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は、まずリチウム空気電池（LAB）用電極としてカーボンナノチューブ（CNT）を用いた場合について、電極の厚みが放電特性に与える影響を論文として報告した。本論文では、電池内への酸素供給圧力の影響も比較している。得られた結果からは、電極の厚みが放電特性に強く影響することが明らかとなった。これまでにも厚みの影響は報告されているが、容量や電圧における影響を詳細に報告した例となった。また、電解液中の高い酸素濃度が放電電圧や放電容量に影響を与えることも明らかとなった。特に薄い電極では酸素濃度が高い場合に放電容量が低下する傾向が見られた。これは電極内部でのリチウム酸化物の生成速度に起因すると考えられる。
電極材料にシームレス活性炭やカーボンエアロゲル、径の異なるCNTも用いた研究も同様に行っている。また、電極内部の構造変化をリアルタイムで捉えるため、CNT電極を用いた系において小角・広角X線散乱測定をオペランド条件において時間分解で行った。電極内の構造変化について興味深い結果が得られており、現在この結果について論文を執筆している。また、同じシステム電気二重層キャパシタの測定も行っており、電極内の細孔が閉塞する様子を捉えることに成功した。
触媒の評価についても、充放電下での時間分解オペランドX線吸収分光測定を行った。この研究ではCNT電極に触媒を担持させてその構造変化を追跡した。得られたデータは、 触媒の構造変化を明確に示しており、触媒の劣化過程を示唆する結果が得られている。
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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
2020年度は計画した研究のうち、電極の厚みと酸素濃度の影響を論文として報告することができた。また、電池評価用セルや測定システムの改良により、小角・広角X線散乱、X線吸収分光について、本格的なオペランド測定実施体制が整った。電極の厚みやメソ孔とミクロ孔といった細孔構造パラメータがどのように放電特性に影響を与えるか解明してきたが、オペランド測定により、リチウム酸化物の結晶構造やナノスケールの構造変化、触媒の劣化から複眼的に議論できるようになったことは本研究において重要である。また、本研究で用いている電極はLAB研究で一般的に用いられる電極よりも活物質の密度が高いが、このことが実用化する上で問題となる課題を見えやすくしていることもわかってきた。さらに構築したオペランド測定システムが、電気二重層キャパシタの電極における細孔閉塞過程追跡に利用できることも明らかとなり、別課題の進捗にも好影響を与えることになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は本研究の最終年度であるため、引き続き各種電極を用いたリチウム空気電池オペランドX線散乱・吸収測定を実施しつつ、論文投稿に注力する。オペランド小角・広角散乱を用いた研究と、触媒の劣化を捉えた研究についてはすでに論文執筆を進めている。また、これまでの研究から最適なメソ孔サイズが解明されているため、賦活によりミクロ孔を付与した試料を調製し、メソ孔とミクロ孔複合的な効果について知見をまとめたい。さらに電極の厚み変化を捉えるための測定システム構築を計画している。電極となる炭素材料単体についても、放射光を用いたX線散乱実験から詳細な構造解析を行う。
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