2022 Fiscal Year Annual Research Report
二次電池用亜鉛極の長寿命化を目的とした充放電反応速度論および電解液設計指針の構築
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21K14712
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
池澤 篤憲 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (80824953)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 亜鉛空気二次電池 / 亜鉛極 / 電解液 / 水系二次電池 / 電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
亜鉛極は安価、高容量かつ比較的低電位で不燃性のアルカリ水溶液において作動可能なため、次世代の二次電池負極として期待されている。しかし、充放電を繰り返すことで電極形状変化、不動態化が生じ容量劣化が進行するため、長寿命化が喫緊の課題となっている。亜鉛極の充放電反応は電気化学反応である亜鉛の溶解析出反応（過程1）、電解液中の亜鉛酸イオンの輸送（過程2）、化学反応である酸化亜鉛の溶解析出反応（過程3）の3つの過程で構成される。中間生成物である亜鉛酸イオンの輸送距離が長すぎると、過程1と過程3が異なる領域で進行して形状変化 が生じ、輸送距離が短すぎると、亜鉛上に緻密な酸化亜鉛の被膜が形成され不動態化が進行することが知られている。本研究では、亜鉛酸イオン輸送距離を支配する電極反応速度論を解析することで、長寿命化のための電解液設計指針を打ち出すことを目的とする。
2021年度は、電気化学過程（過程1）と化学過程（過程2,3）の反応速度比が、亜鉛極の寿命特性に影響を与える重要な因子であることを明らかにした。これを受けて2022年度は、本結果に基づいた電解液設計指針の構築を推進した。過程2を抑制する手法として、電極のアイオノマー修飾が有効であることを明らかとし、特に低レート充放電における寿命改善に有効であることを明らかにした。また、過程1を促進する手法として、テルルおよびスズを添加した電解液における電極修飾が有効であることを明らかにした。また、これらの手法が亜鉛極の充放電速度論に与える影響を、X線回折測定、共焦点顕微鏡観察、水晶振動子マイクロバランスを組み合わせたその場測定を用いて、半定量的に解析した。
これらの成果を、2022電気化学秋季大会および第63回電池討論会において発表した。
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