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2022 年度 実績報告書

広い動作温度範囲で動作する高性能リチウム硫黄電池の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22F22040
配分区分補助金
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

劉 銀珠  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (50586625)

研究分担者 YANG HUIJUN  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2022-04-22 – 2024-03-31
キーワードリチウム硫黄電池 / S@pPAN / 広い温度範充 / 電解液設計 / 充放電特性
研究実績の概要

本研究は広い温度範囲(-20℃~80℃)で安定なLi-S電池電解液設計と共に同電池性能向上である。正極としては広い温度範囲でも安定な構造を持ち、反応中間生成物の溶出を防ぐS@pPANを用いた。また、電解液は高フラッシュポイント、難燃生、低沸点を持つ電解液の探索を行った。
第一に、高温で作動するLi-S電池開発のため、電解液として約85℃の沸点、-50℃の融点を持ち、引火点がマイナスであるDimethoxyethane(DME)を溶媒として用いた。更に、高温で安定なHydrofluoroether (HFE)を共溶媒とし、1M LiFSi/DME-HFEを作製した。その後、高温特性は25℃~120℃での充放電試験で調べた。Li-S電池は25℃~120℃まで動作が確認できたが、100℃以上では、充放電に伴い電池の劣化が見られた。つきまして、高温範囲を80℃に設定し、充放電を実施した。その結果、80℃環境下でも、約800 mAh/gの容量を維持しながら、200サイクルが可能だった。
第二に、広い温度範囲(-20℃~60℃)で作動するLi-S電池開発のため、-136℃の融点を持つ1-3 Dioxolance(DOL)を共溶媒として加え、1M LiFSi/DME-DOL-HFE電解液を作製した。まず、60℃での電池特性を調べた結果、90サイクル後でも容量減少は見られず、安定に動作することが確認できた。更に、低温特性は25℃を基準とし、0℃、-20℃、-40℃下での放電特性で確認した。温度の低下にと共に、作動電位は低下するものの、-40 ℃という低温環境下でも放電が可能だった。しかし、充電は-20℃まで可能だったため、低温での電池特性は-20℃のサイクル試験で調べた。Li-S電池は800サイクル後でも容量が64%維持され、非常に長寿命であることが確認できた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1年間で、高温で安定な1M LiFSi/DME-HFE電解液を設計し、80℃という高温環境下で約800 mAh/gの容量を維持しながら200サイクル可能なLi-S電池を開発した。また、広い温度範囲で安定な電解液としては1M LiFSi/DME-DOL-HFEを確立し、Li-S電池が-20℃~60℃で安定に作動することを確認した。さらに、本結果について現在、論文投稿を準備中である。これらの結果は、電池開発における電解液および電極界面制御研究に大きな知見を与え、持続的発展可能な低炭素社会の実現に大きく貢献をする研究成果である。更に当初の計画以上に進展している。また、令和5年度は、交付内定後の研究代表者交替を行った。

今後の研究の推進方策

As our experimental work wraps up, the next step will be diving into data analysis. We'll be closely comparing our results with established studies in our field to see where our research fits into the larger scientific picture. This will lead us to the next phase: preparing a research paper to share our findings with the broader scientific community. Once we're ready to submit our work, we'll engage with the peer-review process. We're prepared to address feedback, fine-tune our arguments, and clarify any ambiguities to ensure our research is understood in its entirety. The final step, seeing our work published, will be a significant milestone for us. It will mark the beginning of new research directions, as we aim to further our understanding of lithium-sulfur batteries.

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公開日: 2023-12-25  

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