Development of high performance redox flow batteries by the improvement of liquid permeability, mass transport, and durability

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バナジウムレドックスフロー電池(VRFB)は，活物質としてバナジウム錯体を使う送液型の蓄電池である．近年の国内外の研究活動により，電極活性は向上したものの，活物質の比較的に低い拡散係数や電解液の比較的に高い粘度により，物質輸送に由来する電圧損失や圧力損失によってシステムのエネルギー効率が低下する課題があった．本研究では活物質の輸送促進や液透過性の向上を目的として，深さ方向・面内方向ともに同一・均一な連通孔構造を有し，バインダー材の無いシームレスカーボン材料について電気化学測定を行った．連通孔径を13 μm～47 μmとした材料を作製し，限界電流密度（活物質輸送の速度により支配されている電流密度）を評価した．その結果，連通孔径が小さいほど限界電流密度は高くなる傾向が明らかになった．この結果は連通孔径が小さくなるほど境膜（物質輸送が起きるほぼ流動していないと仮定できる薄層）面積が大きくなるためだと考えられる．これらの結果を無次元化してレイノルズ数とシャーウッド数の関係をプロットしたところ，連通孔径に関わらずシームレスカーボン構造であれば同じ直線にデータがプロットされることが明らかになった．以上より，連通孔径を小さくすると境膜物質輸送の観点では有利であると言える．一方で，圧力損失の観点では不利であり，単一の連通孔径構造では物質輸送と圧力損失がトレードオフの関係になる．また，シームレスカーボンはカーボンペーパーとは異なりバインダー材が使われていないため，充放電サイクルにおいて劣化が比較的に少ない点も明らかになった．上記の研究活動は注目を集めており，2022年度は4件の招待・依頼講演を行った．加えて，1件の論文発表，1件の国際会議発表，5件の国内学会発表を行った．