2022 Fiscal Year Annual Research Report
Cryo-SEM observation of electrolyte wetting phenomena in a lithium-air battery and elucidation of high-performance electrode structure
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21H01255
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
植村 豪 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70515163)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田部 豊 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80374578)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | リチウム空気電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，リチウム空気電池の多孔質電極内における電解液の濡れ形態を実験的に可視化し，電解液，電極，空気相から成る三相界面近傍の酸素輸送現象を解明して，リチウム空気電池の高出力化を実現できる電極構造を見出すことを目的とする．
初年度は表面が平滑なガラス状カーボンの電極棒を用い，電極表面に対する電解液の濡れ方を変化させながら放電試験を行った結果，接触角が小さく電極端面を覆う電解液の厚さが薄い条件ほど放電性能が向上し，反応面への酸素の輸送抵抗が低減されることが示唆された．これらの結果を基に，本年度は電解液の接触形態が放電特性におよぼす影響について調べた．電解液の接触線が電極表面を移動する動的な条件の場合，電解液と電極の接触面積が減少するにも関わらず，放電性能が向上することが明らかとなった．これは接触線の移動によって電極表面上に極めて薄い電解液膜が残留，形成され，酸素の輸送特性が向上したことが考えられる．なお，実際の電池において接触線を継続的に移動させることは容易ではないため，電極表面を平滑面から粗面にすることで，電解液薄膜の形成，保持を試みた．粗面を有する電極を電解液に浸漬，引き上げして放電したところ，過電圧が顕著に低減されて放電性能を向上させることができた．ただし放電特性は不安定な挙動を示し，時間経過とともに性能が低下する傾向が見られた．原因として電解液薄膜の蒸発が影響を及ぼしていることが想定されたため，蒸発を抑制できる実験系を構築して放電試験を行った結果，高い放電性能を維持させることに成功した．
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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
初年度に導入したグローブボックスを活用し，高純度の不活性ガス（アルゴン）雰囲気中でのリチウム空気電池の組み立て作業が可能となり，実験を円滑に実施できている．電極に対する電解液の濡れ形態が放電特性に対して顕著に影響する結果も得られ，さらに一連の実験結果からリチウム空気電池の新しい正極構造に関する着想も得ており，概ね順調に進行している．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画に沿い，実際に放電させているリチウム空気電池の電極を凍結させ，Cryo-SEM観察を行って電解液の濡れ形態を捉える．炭素電極の素材や空隙構造をパラメータとした可視化計測を行うことで，電極表面上の電解液の濡れ現象が電池性能を決定付けるメカニズムを解明する．さらにCryo-SEMだけでなく，他の可視化計測手法も複合的に用いた観察についても検討を進める予定である．
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