2020 Fiscal Year Annual Research Report
リチウム空気電池の充放電サイクル特性に及ぼす正極表面化学修飾の効果検証
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20J20091
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
西岡 季穂 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 / 次世代二次電池 / 電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウム空気電池は現行のリチウムイオン電池よりも格段に高い理論容量を有することから「究極の次世代二次電池」と称されており、その実用化が期待されている。しかし、実用に耐えるほど十分に良好な充放電サイクル特性が得られないという課題を抱えている。この課題の本質的な要因を解消することを目的にこれまでの研究を進めてきた。
リチウム空気電池の放電反応においては、酸素が電気化学的に還元され、Li2O2が生成する反応が進行する。充電反応においては、放電の逆反応が進行し、Li2O2が酸化分解し酸素が発生する反応が進行する。これらの反応界面を特定することは、反応のメカニズムを理解し、電池の性能を改善するための方策を立てる上での基礎を築くため非常に重要である。しかし、多くの研究者が様々な手法を駆使してこの課題に取り組んでいるものの、放電・充電反応が電極/Li2O2界面から進行するのか、あるいは電解液/Li2O2界面から進行するのか未だに統一的な見解が得られていなかった。そこで本年度は、反応界面を特定するために、同位体ガスを利用した放電後の生成物の解析と充電時に発生する気体のその場分析を組み合わせて行った。その結果、Li2O2の結晶成長と酸化分解の両方がLi2O2/電解液界面から進行していることが明瞭に示された。また、電池性能を改善するために電解液に添加されるレドックスメディエーターを含んだ系であっても、充電時にLi2O2が分解せずに溶け残ることが示された。これらの結果は、電池性能改善のためには放電時に酸化分解しやすいLi2O2を形成しておくことが重要であるということを意味している。
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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
これまでの研究において、Li2O2の結晶成長と酸化分解の両方がLi2O2/電解液界面から進行していることを明らかにした。統一的な見解が得られていなかった反応界面の問題に対して明瞭な結果を示したことは非常に価値がある。また、これまでに得られた結果は放電時に酸化分解しやすいLi2O2を形成しておくことが重要であるということを意味しており、今後のリチウム空気電池サイクル特性の改善へ向けた実験設計上の重要な基礎データとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた知見を元に、酸化分解しやすいLi2O2の形成条件の探索および分析を行っていく予定である。電解液や正極は、電池の特性に大きく関わる一つの重要な構成要素である。したがって、具体的には正極材料への触媒の担持や電解液添加剤の使用等を今後検討していく。分析手法としては、引き続き同位体を利用したガス分析を積極的に活用していくと共に、より詳細な分析が可能な質量分析計を新しく立ち上げる。これらの手法の活用によって、充放電試験結果の良し悪しについての議論だけではなく、知見を定量的に体系化することを目指す。
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