2023 Fiscal Year Annual Research Report
Lithium ion intercalation into graphite in aqueous media
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22K19087
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山田 裕貴 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30598488)
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2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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