Chalenge to use of six-electron redox reaction of sulfur for Al-S batteries

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K19085
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 桑畑 進 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (40186565)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 蓄電池 / 硫黄正極 / アルミニウム負極 / イオン液体

Outline of Annual Research Achievements

融点が93℃であるAlCl3－NaCl－KCl溶融塩中に溶解した硫黄は、２つの明確なレドックス波を示す。硫黄とカーボンナノチューブの複合電極でも両反応が確認できた。すなわち、この電解液中で硫黄は6電子反応を行う。この高容量密度を示す反応を正極反応に用いた蓄電池の作製をチャレンジした。
( I ) Sの6電子レドックス反応を利用したAl-S電池：AlCl3-NaCl-KCl溶融塩は、アルミニウムの電析・溶解が可能ゆえ、Al負極と組み合わせた電池を作製した。種々な炭素－硫黄複合体を調製し、硫黄の6電子酸化還元反応を有効に用いることのできる正極材料を探索したところ、４種類の電極が動作することを確認した。
( II ) 低温化への試み：S4+ + 4e- ＝ Sの反応が120℃でも起こるという事実を利用すれば、十分に高い容量密度とエネルギー密度が得られる。120℃の過熱が必要であったとしても十分に利用価値があると考えている。そこで、実際に駆動可能な温度範囲を調査した。中温溶融塩であるAlCl3-NaCl-KClと低温溶融塩であるAlCl3-塩化イミダゾリウムを混合することにより、融点は120℃から室温まで変化することができる。種々な温度での硫黄の酸化還元反応を調査して、60℃でも電池として動作することを確認した。
( III ) 他の電池への展開の可能性：容量密度が突出している硫黄正極とアルミニウム負極を組み合わせた蓄電池は、最も魅力的であるが、色々な用途で適した電池を用いることになることを想定して、他の電池の正極活物質としても6電子レドックス反応が利用可能かについて調査した。リチウムイオン電池については、動作することは確認できたが、3～4電子程度しか利用できなかった。