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．

这项研究旨在通过实验可视化锂空气电池多孔电极中电解质的润湿形式，并阐明在三相界面附近的氧气传输现象，该现象在三相界面附近，由电解质，电极和空气相组成，并找到可以为岩石 - 空气电池提供高电力输出的电极结构。在第一年，我们使用了带有光滑表面的玻璃状碳电极杆，并进行了放电测试，同时改变电解质在电极表面上润湿的方式，并建议当接触角度较小时，放电性能会提高，并且电极的厚度且电极末端表面的厚度很薄，并且对转运牛的电阻较薄，而氧气的抗性为反应表面。基于这些结果，我们研究了今年电解质接触形状对排放特性的影响。已经发现，在动态条件下，电解质的接触线沿电极表面移动，尽管电解质和电极之间的接触面积降低，但仍会提高放电性能。这被认为是因为非常薄的电解质膜保持不变，并在接触线的运动中形成在电极的表面上，从而改善了氧气传输性能。此外，由于在实际电池中连续移动接触线并不容易，因此我们试图通过从光滑的表面进行电极表面来形成和固定电解质薄膜。当将粗糙的电极沉浸在电解质中，向上拉并排出时，过电压显着降低，并提高了放电性能。但是，放电特征表现出不稳定的行为，并且随着时间的流逝，性能趋于恶化。假定电解质薄膜的蒸发是有效的，并且由于排放测试，我们构建了一个可以抑制蒸发并进行排放测试的实验系统，并成功地保持了高排出性能。