2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of acidic aqueous lithium-air battery
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20K05685
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
今西 誠之 三重大学, 工学研究科, 教授 (20223331)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田港 聡 三重大学, 工学研究科, 助教 (60771201)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 空気電池 / 固体電解質 / エポキシ樹脂 / 二室型セル / 酸素触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水溶液系空気電池の場合，大気中の二酸化炭素によりLi2CO3が生成・沈殿し，利用可能なリチウムイオンが減少する．本研究では酸性水溶液を用いて二酸化炭素の溶解を抑制することを試みた．セパレーターとして使用したリチウムイオン導電性固体電解質のLi1.4Al0.4Ge0.2Ti1.4(PO4)3（LAGTP）は多孔質であることから，溶液透過を抑止するため，エポキシ樹脂を含浸させた複合膜とした．H型セルを用いてLAGTP膜の水透過性を評価した．エポキシを添加したLAGTP膜は時間が経過しても十分に水の透過を抑制することが示唆された．一方でエポキシ樹脂の含浸により，セパレータ膜のイオン導電率が8.9×10-4S/cm2から3.7×10-4S/cm2と約半分に低下することが分かった．この導電率の低下は，エポキシ樹脂のイオン導電性が低いことに起因すると考えられるため，エポキシ樹脂にLiClを添加することで樹脂のイオン導電性を向上させることを試みた．LiCl添加量を検討した結果，エポキシ樹脂を含浸させたセパレータ膜についても，含浸前と同等の8.7×10-4S/cm2までイオン導電率を改善することに成功した．
酢酸系リチウム空気電池の正極反応生成物であるCH3COOLiは，正極電解液への溶解度が約25gで放電深度約25%以上では反応生成物が固相として空気極の表面に析出するため，高容量空気極の開発が必要である．空気極の構成材料である多孔性炭素について，その電気化学的安定性と酸化還元反応の促進について検討した．酸性で使用できる金属触媒としてPtを選択し，導電助剤と構成比率を検討した．導電助剤に気相法炭素繊維を用いた場合，触媒:導電助剤:結着剤=5:3:2の重量比で構成した空気極が最も過電圧を抑制し，酸素の酸化還元反応を促進することを見出した．
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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
本電池実現への第1の課題「セラミックスで構成されるセパレータの開発」において，満足すべき性質の1つである「溶媒が透過しない」点について，LiClを添加したエポキシ樹脂をセラミックスLAGTP膜に含浸させることで，イオン導電性を保ちつつ液の透過を防ぐことに成功した．また第2の課題「高容量空気極の開発」では，酸性水溶液で使用できる金属触媒としてPtと，導電助剤に気相法炭素繊維を用いた場合について，触媒と導電助剤との構成比率を検討した結果，空気極過電圧を抑制する触媒，導電助剤，結着剤の構成を見出した．
これまでの進捗をまとめると，「セラミックスで構成されるセパレータの開発」については，残された2つの課題の内1つを，「高容量空気極の開発」では，当初の予定通り空気極構成比率の最適化を開始した．以上より，研究は概ね順調に進展していると評価された．
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| Strategy for Future Research Activity |
「セラミックスで構成されるセパレータの開発」においては，金属リチウムに対する安定性の確保を最終年度の目標とする．金属リチウムにはデンドライト状析出という大きな問題がある．この問題の解決には金属リチウムとセラミックスLAGTP膜との界面に新たな層を設ける必要がある．デンドライトの伸長を抑制するポリマー膜による金属リチウムの表面被覆や三次元骨格構造を有するセパレータの積層を検討する．また「高容量空気極の開発」では，今年度に引き続き触媒をPtに固定して，導電助剤の種類と構成比率を変更して空気極を作製し，CV測定と過電圧測定によって最適な空気極を探索する．導電助剤としてはケッチェンブラックを対象に加え，最適化を進める．最終的に，最適化した空気極やセラミックスで構成されるセパレータ膜を用いて酢酸空気二次電池のフルセルを作成し，その電気化学特性を評価する．この際，セルは60℃程度の高温で作動させるため，酢酸の蒸発を可能な限り抑制することが必要で，電池動作時の外部環境の加圧条件についても検討を加える．
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