In-situ複合計測によるリチウム/酸素の移動・反応の統合的解明と電池高性能化

• 研究課題/領域番号: 15H02347
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 平井 秀一郎 東京工業大学, 工学院, 教授 (10173204)
• 研究分担者: 植村 豪 東京工業大学, 工学院, 特任准教授 (70515163) ; 河村 雄行 岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (00126038)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円); 2019年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2018年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2017年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円); 2016年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2015年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)
• キーワード: リチウム空気電池 / 熱工学 / エネルギー生成・変換

研究成果の概要

リチウム空気電池は理論容量が最も大きい二次電池であるが，実用化に求められる高い電流密度での放電ができない．本研究では，電池性能を律速していると考えられる空気極内の酸素の移動・反応を統合的に解明し，電池を高性能化するため，低エネルギーX線CT計測，XRD計測，微細ファイバ式酸素濃度計測など，電池内部を非破壊かつその場（in-situ）で計測できる手法を駆使した複合計測を実施した．その結果，空気極の深部までは酸素が輸送されておらず，放電反応が表面近傍に集中し，反応生成物も偏析していることを明らかにした．さらに電極構造や電解液の含侵状態を改良することで，高い電流密度でも放電が実現できることを示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で活用したin-situ計測技術は，リチウム空気電池だけでなく，他の二次電池や燃料電池など，多数の電気化学デバイス内で生じる現象の計測に活用でき，理学・工学の広範囲の学術領域で使用される新規性がある．さらに研究対象であるリチウム空気電池については，その理論容量の大きさから，電気自動車用の重要な電源となるだけでなく，再生可能エネルギーの利用・普及に向けた，大容量かつ安全な蓄電デバイスとしても重要な役割が果たせる．本研究で対象とする水系リチウム空気電池では電解液に塩化リチウム水溶液を用いるため，従来の有機電解液を用いたリチウムイオン電池のような，短絡時の火災リスクも大幅に低減できる．

研究成果

• [学会発表] リチウム空気電池正極性能に及ぼす電極構造と酸素輸送現象 (2020)
  • 著者名/発表者名: 植村豪，長尾賢斗，山下雄大，藤本翔悟，桝田哲太郎，兒玉学，今西誠之，平井 秀一郎
  • 学会等名: 日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] 水系リチウム空気電池正極構造が性能に及ぼす影響に関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 植村豪，山下雄大，平井秀一郎
  • 学会等名: 2018年度日本機械学会年次大会
• [学会発表] 微細ファイバーセンサーを用いたリチウム空気電池正極多孔質内の酸素濃度計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤本 翔悟, 植村 豪, 今西 誠之, 平井 秀一郎
  • 学会等名: 日本機械学会2017年度年次大会
• [学会発表] OPTICAL MEASUREMENT OF OXYGEN CONCENTRATION (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Fujimoto, S. Uemura, N. Imanishi, S. Hirai
  • 学会等名: The 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC9)
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen Concentration Measurement in the Porous Cathode of Aqueous Lithium-Air Battery By Fine Optical Fiber (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Fujimoto, Suguru Uemura, Nobuyuki Imanishi and Shuichiro Hirai
  • 学会等名: 232nd ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of O2 Concentration and Precipitates on the Lithium Air Battery (2016)
  • 著者名/発表者名: 2)Suguru Uemura, Kosuke Torikai, Tomoaki Furuyama, Takashi Sasabe, Nobuyuki Imanishi, Shuichiro Hirai
  • 学会等名: ECS meeting, PRiME2016
  • 発表場所: Hawaii Convention Center(Honolulu, Hawaii)
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] リチウム空気電池性能特性に及ぼす酸素濃度・析出物の影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 植村豪, 古山知諒, 鳥飼孝介, 笹部崇, 今西誠之, 平井秀一郎
  • 学会等名: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: グランキューブ大阪（大阪）
  • 年月日: 2016-05-24
• [学会発表] 低エネルギーX線CT計測による水系リチウム空気電池電極内析出挙動の可視化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 古山知諒, 植村豪, 笹部崇, 今西誠之, 平井秀一郎
  • 学会等名: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2015
  • 発表場所: 大阪大学 吹田キャンパス
  • 年月日: 2015-10-24
• [学会発表] フロー型リチウム空気電池における物質移動・反応の数値シミュレーション (2015)
  • 著者名/発表者名: 桝田哲太郎, 植村豪, 平井秀一郎
  • 学会等名: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2015
  • 発表場所: 大阪大学 吹田キャンパス
  • 年月日: 2015-10-24