| 研究課題/領域番号 |
22K19087
|
|---|
| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
|
| 配分区分 | 基金 |
|---|
| 審査区分 |
中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
|
|---|
| 研究機関 | 大阪大学 |
|---|
研究代表者 |
山田 裕貴 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30598488)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2024-03-31
|
| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
|
| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
|
|---|
| キーワード | リチウムイオン電池 / 水系電解液 / 黒鉛電極 / インターカレーション / 水和融体 / 疎水化 / 黒鉛 |
|---|
| 研究開始時の研究の概要 |
現在のリチウムイオン電池では、電解液として可燃性の有機溶媒系を用いており、火災事故の原因となっている。このような状況を鑑み、本研究では、リチウムイオン電池の電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることを目的とする。この目的達成のため、負極反応となる黒鉛電極へのリチウムイオン挿入反応を可能にする水系電解液及び電極/電解液界面の設計を行う。本研究が成功すると、火災リスクを最小化した水系リチウムイオン電池の実現が可能となり、火災事故が許されない新規用途への応用が大きく拡大する。
|
| 研究実績の概要 |
本研究では、リチウムイオン電池に使用されている電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることで、安全・安価・低環境負荷の新型リチウムイオン電池の実現を最終目的とした。その障壁となるのが、負極である黒鉛へのリチウムイオン挿入脱離反応である。この反応は、極めて低い電極電位（強い還元雰囲気）で起こるため、水系電解液では水の還元分解反応（水素発生）が進行する。
本研究では、リチウムイオン挿入反応と競合する水の還元分解反応を抑制するため、黒鉛電極表面の疎水化を検討した。特定のポリマーによって黒鉛電極表面を被覆し、更にポリマーには疎水性の有機溶液を浸透させた。このような黒鉛電極を使用し、水系電解液中でサイクリックボルタンメトリーを行ったところ、Ag/AgCl基準で-3.0 V付近に還元・酸化ピークが観察された。この電極電位から判断すると、リチウムイオンの挿入脱離反応が進行したと考えられる。一方、サイクリックボルタンメトリーを繰り返すと、還元・酸化電流値が減少していく傾向が認められた。この問題を解決するため、水系電解液の高濃度化による還元側電位窓拡張についても検討した。その結果、サイクルに伴う電流値の減少を抑制することができた。
以上の結果より、黒鉛電極表面の疎水化により電極と水分子の直接接触を防ぐことで、リチウムイオン電池が水系電解液で作動する可能性が見いだされた。被覆するポリマー成分、浸透させる有機電解液成分、使用する水系電解液の最適化により、更なる性能向上の可能性がある。
|
