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Cryo-SEM observation of electrolyte wetting phenomena in a lithium-air battery and elucidation of high-performance electrode structure

锂空气电池中电解液润湿现象的冷冻扫描电镜观察及高性能电极结构的阐明

基本信息

批准号：
21H01255
负责人：
植村豪
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01255/
关键词：
リチウム空気電池

项目摘要

本研究では，リチウム空気電池の多孔質電極内における電解液の濡れ形態を実験的に可視化し，電解液，電極，空気相から成る三相界面近傍の酸素輸送現象を解明して，リチウム空気電池の高出力化を実現できる電極構造を見出すことを目的とする．初年度は表面が平滑なガラス状カーボンの電極棒を用い，電極表面に対する電解液の濡れ方を変化させながら放電試験を行った結果，接触角が小さく電極端面を覆う電解液の厚さが薄い条件ほど放電性能が向上し，反応面への酸素の輸送抵抗が低減されることが示唆された．これらの結果を基に，本年度は電解液の接触形態が放電特性におよぼす影響について調べた．電解液の接触線が電極表面を移動する動的な条件の場合，電解液と電極の接触面積が減少するにも関わらず，放電性能が向上することが明らかとなった．これは接触線の移動によって電極表面上に極めて薄い電解液膜が残留，形成され，酸素の輸送特性が向上したことが考えられる．なお，実際の電池において接触線を継続的に移動させることは容易ではないため，電極表面を平滑面から粗面にすることで，電解液薄膜の形成，保持を試みた．粗面を有する電極を電解液に浸漬，引き上げして放電したところ，過電圧が顕著に低減されて放電性能を向上させることができた．ただし放電特性は不安定な挙動を示し，時間経過とともに性能が低下する傾向が見られた．原因として電解液薄膜の蒸発が影響を及ぼしていることが想定されたため，蒸発を抑制できる実験系を構築して放電試験を行った結果，高い放電性能を維持させることに成功した．

This study aims to visualize the electrolyte morphology in porous electrodes of air batteries, to elucidate the transport of acid near the three-phase interface formed by electrolyte, electrode and air phases, and to explore the electrode structure for high output performance of air batteries. In the first year, the electrode rod with smooth surface and thin electrolyte was used, and the electrolyte solution on the electrode surface changed. As a result, the contact angle was small, the electrolyte thickness was thin, the electrolyte performance was high, and the acid transport resistance of the electrode surface was low. Based on these results, this year, the contact form of electrolyte and the influence of electrolyte on the characteristics of the electrolyte were investigated. Under the condition that the contact wire of electrolyte moves on the electrode surface, the contact area of electrolyte and electrode decreases, and the performance of electrolyte increases. The contact wire moves and the electrolyte membrane remains on the electrode surface, forming a thin electrolyte membrane, and the acid transport characteristics are upward. The contact line of the battery is easy to move, the electrode surface is smooth and rough, and the electrolyte film is formed and maintained. Electrolyte impregnation of the rough surface The characteristics of the state are unstable and the performance is low. The reason is that the evaporation of electrolyte thin film affects the stability of electrolyte thin film. The evaporation is suppressed. The system is constructed. The performance of electrolyte thin film is maintained successfully.