2022 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the function of discharge / charge reaction at the air electrode of lithium-air secondary battery using room-temperature ionic liquids
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21K05253
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
宇井 幸一 岩手大学, 理工学部, 准教授 (60360161)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹口 竜弥 岩手大学, 理工学部, 教授 (30227011)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | リチウム－空気二次電池 / 電解質 / 空気極 / イオン液体 / ケッチェンブラック / 電気化学インピーダンス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は電解質／空気極の界面設計に関する基礎的知見を得るため、空気極にケッチェンブラックを、電解質にアミド系イオン液体（IL）を用いたリチウム－空気二次電池（LABs）を作製し、以下の2つの項目を実施した。
まず、電解質に室温域で液体である環式脂肪族カチオンとビス（トリフルオロメタンスルホニル）アミド（TFSA）アニオンから成るILを用いたLABsを作製し、電解質の種類（有機溶媒系, IL系）がLABsの電気化学的特性と空気極の界面挙動に及ぼす影響を検討した。有機溶媒系と比べて、IL系の1サイクル目の放充電容量およびエネルギー効率は高かった。電気化学インピーダンス測定(EIS)を実施し、1サイクル目の充電後のナイキストプロットを得たところ、有機溶媒系の界面抵抗と比べ、IL系は低かった。これにより、IL系で生成される副生成物は充電による残存が少ないため、有機溶媒系よりも低い界面抵抗を維持できる可能性が示唆された。以上より、IL系では放電中に生成されたIL由来の副生成物は充電により効率的に分解されることで、良好な電池特性を示すと考えられる。
次に、TFSAアニオンから成るILと比べ、低粘性率を示すビス（フルオロスルホニル）アミド（FSA）アニオンから成るILに展開して、電解質の種類（有機溶媒系, IL系）がLABsの空気極の界面挙動と放電生成物の関係を検討した。EISを実施し、1サイクル目の放電後のナイキストプロットを得たところ、有機溶媒系の界面抵抗と比べ、IL系は低かった。FE-SEM/EDXより、FSAアニオンの還元により、酸素、フッ素、硫黄を含む副生成物が均一に堆積している可能性が示唆された。以上より、FSAアニオンを有するILにおいても、アニオン由来の副生成物が空気極の表面を覆うが、電解質／空気極の界面抵抗が低いことから、LABs用電解質として適用できる可能性が示唆された。
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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
本年度は空気極にケッチェンブラックを、電解質に環式脂肪族カチオンとTFSAアニオンもしくはFSAアニオンから成るILの中から、リチウム金属への耐還元性に優れ、室温域以下で融点を有するものを選択し、当初の計画のとおり、以下の3項目を実施した。
1) FE-SEM/EDX、XPSなどを用い、放電中に空気極表面に生成する析出物（主生成物のLi2O2、副生成物など）の状態・成分を分析した。
2) EISなどの電気化学的手法を用い、室温IL電解質／空気極の界面挙動を測定し、放充電反応に伴うパラメーター（電荷移動抵抗、電気二重層容量、Li+イオンの拡散抵抗など）を解析した。
3) 上記1)と2)を合わせて、「室温ILの構造が空気極の寿命に影響を及ぼす要因」を考察し、析出物が堆積（目詰まり）しない空気極設計に関する基礎的知見を得た。
上記3項目に加え、先行研究におけるTFSAアニオンから成るIL電解質と同様に、FSAアニオンから成るIL電解質においても電解質／空気極の界面抵抗が有機溶媒系より低いこと示したから、電解質にアミド系ILを適用する優位性が得られた。以上より、空気極表面の析出物の状態・成分を解析することで、「室温ILの構造と空気極の寿命との関係」を考察し、さらにはLABsの高性能化に向けて基礎的知見を得たことから、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は概ね順調に進展したので、当初の研究実施計画を実施していく。令和5年度は令和4年度までに得られた結果を基にして、他の脂肪族カチオン（環式・非環式など）、TFSAアニオンもしくはFSAアニオンから成るアミド系ILに展開して、上記「現在までの進捗状況」に記した1～3)の項目を実施する。
上記1)と2)を合わせて、「室温ILの構造が空気極の寿命に影響を及ぼす要因」を考察し、析出物が堆積（目詰まり）しない空気極の界面設計を得て、LABsの高性能化を導く。
また、得られた結果を取りまとめ、研究成果を国内外への発表を積極的に試みる。
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| Causes of Carryover |
化学系学協会東北大会の開催場所が岩手大学（岩手県）、電気化学会第90回大会の開催場所が東北工業大学（宮城県）で、遠方ではなかったことから、国内旅費の支出額を抑えられたため、次年度使用額が生じた。
使用計画は試薬などの消耗品費に充当して、研究のさらなる遂行を目指す。
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