Study of charging process at positive electrode in rechargeable lithium-air battery
| Project/Area Number |
20K15370
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
松田 翔一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (30759717)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | リチウム空気電池 / 酸素発生反応 / レドックスメディエーター / 硝酸イオン / クロスオーバー / 協調効果 |
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| Outline of Research at the Start |
リチウム空気電池は既存のリチウムイオン電池の２～５倍のエネルギー密度を可能にする次世代蓄電池の最有力候補である。しかしながら、充電時の正極反応過電圧が高いことが、リチウム空気電池の実用化への最大の課題となっている。本研究では、硝酸イオンをモデルケースとして、その多様や電気化学反応挙動を体系的に理解し、レドックスメディエーターに求められる必要因子を明らかにする。このような一連の研究を通じて、リチウム空気電池の実用化に不可欠な、可逆的な電気化学反応を可能とする電解液設計に関する知見の獲得を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、リチウム空気電池環境下での硝酸イオンレッドクスの電気化学反応挙動を明らかにすることである。硝酸イオンがリチウム空気電池系において、電池特性を決定する多様な役割を果たしているにもかかわらず、その反応機構は非常に複雑であり、分子レベルでの機構解明には至っていない。本研究では、硝酸イオンをモデルケースとして、その多様や電気化学反応挙動を体系的に理解し、レドックスメディエーターに求められる必要因子を明確にすることを通じて、リチウム空気電池の実用化に不可欠な、可逆的な電気化学反応を可能とする電解液設計に関する知見の獲得を目指す。2021年度は、正極・負極間のクロスオーバー機構に着目し、研究を実施した。実際の電池系においては、正極・負極間の距離が数十マイクロメートルと非常に近接しているため、正極・負極で発生した化学種のクロスオーバーの効果を無視することはできない。３電極セルを用いることで、正極と負極の電位挙動を独立に計測する技術を確立した。その結果、Li対称セルの場合に比べて、リチウム空気電池の負極においては、サイクル経過に伴い、過電圧の上昇・リチウムの枯渇が加速的に進行することが明らかとなった。独自に開発したoperand分析装置を利用することで、正極での溶媒分解反応に伴い発生する水や二酸化炭素が負極にクロスオーバーすることが、負極劣化の主要因であることを示す結果を得た。本結果は、長期サイクルの実現に向けては、負極保護膜導入の必要性を示すものであり、リチウム空気電池の設計において重要な知見が得られた。
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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
2021年度においては、以下３つの成果が得られており、研究は順調に進捗しているといえる。
①各種ex situ分析手法を駆使することで、サイクル経過に伴い、正極の電解液の分解、正極の酸化分解が進行することを定量的に明かにした。
②正極での溶媒分解に伴って発生する水や二酸化炭素が、負極側にクロスオーバーすることにより、負極の反応効率が大幅に低下することを明らかにした。
③硝酸イオンと臭化物イオンの協調効果により、充電反応時の溶媒分解反応が抑制されることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、硝酸イオンと臭化物イオンの協調効果の物理化学的な機構解明に着目し、研究を進める。硝酸イオンは、多様な酸還元状態を取ることから、正極・負極において様々な反応の可能性を考慮する必要がある。電気化学解析手法とin situ分析手法を統合したアプローチにより、相互作用の具体的な機構を明らかにすることで、理想的な電解液設計指針の獲得を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(2 results)
