Electrochemical Processing and Multi-scale Modeling of Zinc Electrodes for Large-scale Energy Storage System

大型储能系统锌电极的电化学加工和多尺度建模

• 批准号: 21H01642
• 负责人: 本間 敬之
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Waseda 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 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01642/
• 关键词: 亜鉛負極; 多階層モデリング; 表面増強ラマン散乱; 大規模エネルギー貯蔵

充電時の亜鉛（Zn）負極表面における異常析出現象の解明とそれを抑制する添加剤の特定、及びその作用機構の解析の一環として今年度は、交付申請書で計画した内容に沿い、21年度までに構築を進めた分光計測手法や理論解析の方法論を、電気化学計測手法と組み合わせながら応用し、種々の添加剤の効果を系統的に検討した。添加剤としては、リチウム（Li）などのアルカリ金属イオン種と、鉛（Pb）などの重金属種に着目しながら、それらLiやPbなど単一の元素の検討に留まらず、Li、カリウム（K）、セシウム（Ce）や、Pb、スズ（Sn）といったように、同族元素どうしの挙動を比較・対照することで、それらの作用機構の理解を系統化できるようにした。解析の結果アルカリ金属イオン種の中ではLiが、Zn表面における主要な異常析出形態の一種であるモッシー形状析出の発生を抑制することが示唆された。21年度までに構築した理論計算手法を用いて解析した結果、Liの示す効果はその高い空間電荷密度に由来していた。重金属種に関しては、負極表面上に還元析出することでZnの異常析出を抑制するPbに対して、Snが水酸化物イオンの状態で異常析出抑制効果を有する可能性があると示唆された。また特にSnの水酸化物イオンはZn電極の特定の結晶面におけるジンケートイオンの吸着を阻害することによって異常析出を低減していることが、理論計算結果から示唆された。これは、周期表上で似た位置にある重金属種でも、析出形態への作用機構は大きく異なる傾向を示す可能性があることを表しているが、特にSnの水酸化物イオンの作用機構に関してはさらに詳細に検討していく必要がある。このように、当初計画していた通り22年度は、21年度までに構築した解析系を実際に適用しての系統的な添加剤種の作用機構解析に着手でき、特にアルカリ金属イオン種の作用に関する体系的な知見が得られた。

The solution of abnormal precipitation phenomenon on the surface of lead (Zn) electrode during charging is discussed in detail in this year's submission of application plan, the construction of spectrometer measurement method, theoretical analysis methodology, electrochemical measurement method and combination of application, seed addition and effect system. In the study of the elements of Li, Li, Pb, Ce, Sn, Pb, Pb The analysis results show that the formation of abnormal precipitation is inhibited by Li and Zn on the surface of various metals. In 2001, the theoretical calculation method was constructed, and the analytical results showed that the high space charge density was caused by Li. Heavy metal species are related to the precipitation of Zn on the surface of the electrode. The abnormal precipitation of Pb and Sn is inhibited. The results of theoretical calculation show that the adsorption resistance of Sn hydroxide on Zn electrode is lower than that of Sn hydroxide on Zn electrode. The mechanism of action of heavy metal species and precipitation forms on the periodic table is likely to be different. In 2002, the analysis system was constructed and applied to the analysis of the mechanism of action of the additive species in the system.

项目成果

Analysis of the behavior of Zn atoms with a Pb additive on the surface during Zn electrodeposition

• DOI: 10.1016/j.elecom.2022.107291
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Electrochemistry Communications
• 影响因子: 5.4
• 作者: Yusuke Onabuta;Masahiro Kunimoto;Fumimasa Ono;Y. Fukunaka;H. Nakai;G. Zangari;T. Homma

Multiscale Simulation of Irregular Shape Evolution during the Initial Stage of Zn Electrodeposition on a Negative Electrode Surface

负极表面锌电沉积初始阶段不规则形状演化的多尺度模拟

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c09569
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: Onabuta Yusuke;Kunimoto Masahiro;Wang Songyi;Fukunaka Yasuhiro;Nakai Hiromi;Homma Takayuki
• 通讯作者: Homma Takayuki

Zn電析過程におけるZn原子吸着挙動に対する重金属添加剤の影響の理論的解析

Zn电沉积过程中重金属添加剂对Zn原子吸附行为影响的理论分析

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Sudo;H. Uematsu;A. Yamaguchi;M. Yamane;Y. Koori;H. Yasuda;M. Senga and S. Tanoue;石田尚之，宇高渉吾，今村維克;竹内恒博;小野文雅，女部田勇介，國本雅宏，中井浩巳，本間敬之
• 通讯作者: 小野文雅，女部田勇介，國本雅宏，中井浩巳，本間敬之

Zn電析の表面形態にカチオン種が与える影響の電気化学測定による解析

利用电化学测量分析阳离子种类对锌沉积物表面形貌的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Rika Tanaka;Akiyasu Yamamoto;澤田成生,中島寛登,山田和義,岸肇;高橋士，女部田勇介，國本雅宏，本間敬之
• 通讯作者: 高橋士，女部田勇介，國本雅宏，本間敬之

In-situ Monitoring Systems of Electrolytic/electroless Deposition Processes using Surface Enhanced Raman Spectroscopy with Plasmon Sensors

使用表面增强拉曼光谱和等离激元传感器的电解/化学沉积过程的原位监测系统

• 发表时间: 2022
• 作者: Masahiro Kunimoto;Masahiro Yanagisawa;Takayuki Homma
• 通讯作者: Takayuki Homma