対流起因勾配拡散と電気泳動が重畳干渉するイオン輸送現象解明と可逆電池への発展

阐明对流诱导梯度扩散和电泳叠加干扰的离子传输现象以及可逆电池的开发

基本信息

批准号：
22H01412
负责人：
平井秀一郎
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01412/
关键词：
濃度勾配対流亜鉛空気電池亜鉛空気電池拡散電気泳動

项目摘要

充放電が可能な二次電池は，電気自動車用だけでなく，出力が不安定な再生可能エネルギーとの組み合わせなど，次世代の持続可能社会を構築する上で欠くことのできない最も重要な技術である．リチウムイオン電池は，車の航続距離で実質350km程度であり，リチウムイオンが固体電極材料の層状構造の隙間に出入りすることを利用する．これに対して，亜鉛空気電池は層状構造の材料を用いず，亜鉛の金属単体と多孔体で電池を構成するため飛躍的に小型軽量となる．しかしながら、亜鉛の均質な析出が制御できないことが実用化への大きな障害となっていた。本研究は，電解液の対流により形成される亜鉛イオンの濃度境界層により規定される輸送現象を利用する．本年度は，亜鉛空気電池の電解液が流せるフロー型セルを構築した．亜鉛空気電池の放電時において、電解液に流動を加えた状態での放電曲線の計測、亜鉛電極表面の走査型電子顕微鏡による観察と表面物質の同定を行った。電解液に流動を加えることによって，亜鉛電極における放電時の濃度過電圧が減少する．また，ある流量を超えると濃度過電圧による電位の低下が起こらなくなる．この電解液流量は電流密度によって異なり，大電流密度であるほど大きな流量が必要となる．流れ無しで放電した電極表面には大きな酸化亜鉛が付着した電極表面になっているのに対し，流量を大きくするほど薄く平面的に酸化亜鉛が付着する．また，電極表面に酸化亜鉛の被膜が付着する中，電流密度を保つ上では溶解する亜鉛が電解液に直接露出している場所が必要になる．低電流密度での放電では，確保すべき亜鉛面積は小さく，酸化亜鉛は広い範囲に付着できる．このようにフロー型電池での電極形態と流動、放電曲線の関係を明らかにした。

可以充电和放电的二级电池不仅用于电动汽车，而且还与可再生能源结合使用，并具有不稳定的产出，并且对于建立下一代可持续社会而言是必不可少的，也是最重要的。锂离子电池基本上的范围约为350 km，并使用锂离子进入并退出固体电极材料分层结构的间隙。相比之下，锌空气电池不使用分层材料并使用锌金属和多孔物体形成电池，从而使其非常紧凑且轻巧。但是，无法控制锌的均匀降水已成为实际使用的主要障碍。这项研究利用由电解质对流形成的锌离子边界层定义的传输现象。今年，我们构建了一个可以从锌空气电池流动电解质的流动池。在锌空气电池的排放过程中，在流动电解质时测量放电曲线，并通过扫描电子显微镜在锌电极表面上识别表面材料。通过将流量施加到电解质上，放电过程中锌电极的浓度过压减少。此外，如果一定的流量超过一定的流量，则由于浓度过电压而导致电势不会降低。电解质流速取决于电流密度，并且电流密度越大，需要流速就越大。没有流动的电极的表面是具有大量氧化锌附着的表面，而流速越大，较薄和平坦的氧化锌粘附。此外，作为氧化锌涂层会粘附到电极表面，为了保持电流密度，必须有一个将溶解锌直接暴露于电解质的地方。当以低电流密度排出时，要固定的锌面积很小，氧化锌可以在大面积上粘附。因此，阐明了流动电池中电极形态，流量和放电曲线之间的关系。