成果報告書詳細
管理番号20120000000742
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 次世代技術開発 Li系金属~空気2次電池の性能向上に関する研究
公開日2012/7/26
報告書年度2008 - 2011
委託先名国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約1)電池構造の最適化
繰り返し再現よく充放電が可能なセルの構造を検討し、グラスフィルターを電解液の保持に利用した開放型のセルを試作した。作成したセルはBruceらの報告している容量とほぼ同じ容量を示すことが分かった。
2)生成するLi2Oを可逆的に分解可能な触媒系の探索
2次電池として再現よく充放電が可能な空気極の探索を行った。種々の触媒、充放電条件での作動特性の検討を行い、空気極中に添加されるバインダーの炭素が酸化され易く、Li2CO3が生成し易いことが分かった。そこで、空気極中の炭素量を削減すること、空気極への酸化されにくい炭素の導入、高表面積MnO2としてのメソポーラスα-MnO2の利用、Pd触媒による修飾が有効なことを明らかにした。これらの成果で、本研究では800mAh/g-cat程度の容量の達成を成功するとともに、5.1mA/cm2の条件で、100サイクルの繰り返し充放電に成功することができた。
また、気相にCO2を導入すると、放電容量が著しく向上し、4500mAh/g-catが達成でき、空気極にPd/α-MnO2を用いると数回の充放電を行うことができることを明らかにした。
3)揮散しない電解液の検討
揮散しにくい電解液として、EC:DEC:GBL=1:1:1の組成の電解液のゲルを検討し、40℃でも繰り返し充放電ができることを示し、ある程度の電解液の揮散を抑制することができた。
4)安全性の高いLi系合金負極の検討
Li負極金属量の影響を検討し、Li金属負極量の低下とともに、容量は低下するものの、Li金属の利用率は向上し、ほぼ100%のLi金属の利用率が達成できることが分かった。繰り返し特性はLi金属量の低下により、低下するものの、デンダライトの生成は比較的少なかった。またLiC6の応用も検討し、60%のLiの利用ができることを示した。今後、合金系の検討で、さらに安全なLi-空気2次電池の開発が行える可能性がある。
英文要約1)Optimization of cell performance
Among the various structures for Li-air cell, we optimized the cell structure from reproducibility. By using glass filter for containing electrolyte and polymer separator, we can achieve a high reproducibility and also reasonably large capacity.
2) Development of active air electrode
It was found that MnO2/Pd shows the superior performance as air electrode. Since carbon in air electrode was oxidized, formation of Li2CO3 was observed after discharge. Therefore, for preventing Li2CO3 formation, it is better no to used carbon as a binder in air electrode. However, because of small surface area, observed capacity of MnO2 is just 175 mAh/g. In this study, we mainly prepare mesoporous MnO2 for air electrode. Preparation of mesoporous MnO2 was performed by using mesoporous SiO2 for template. XRD patterns of the obtained MnO2 consists of diffraction peaks around 2θ=1 degree suggesting the formation of measoporous structure. We used small amount of PTFE coated acetylene black for binder and mesoporous α-MnO2 modified with Pd for air electrode of Li-air battery. Discharge capacity of ca. 600 mAh/g was observed for Pd/mesoporous α-MnO2 electrode. In contrast, single phase was obtained for β-phase MnO2. Discharge capacity was much improved on β-MnO2, i.e., 820 mAhg-1. High capacity was sustained over 100 cycles of charge and discharge. It was found that addition of CO2 to gas phase is effective for achieving the extremely large discharge capacity. The capacity of 4500 mAh/g-cat. was achieved on KB/EMD electrode and few cycles for discharge and charge with 3500 mAh/g-cat was demonstrated.
3) Optimization of electrolyte with low vapor pressure
Development of electrolyte with low vapor pressure is important issues for Li-air secondary battery. We applied Li ion conducting ceramic and PTFE composite for separator for the battery. La0.5Li0.34TiO2.94 is reported as a high Li ion conductor and so we prepared this compound by solid state reaction. The charge and discharge measurement with cyclic voltammetry shows the discharge capacity was much decreased by insertion of the prepared film, however, cycle stability was much improved and over 10 cycles, there is no degradation observed. Gel electrolyte was also studied and it was found that gel electrolyte with composition of EC:DEC:GBL=1:1:1 shows reasonable performance of Li-air battery.
4) Application of Li-metal alloy for improved safety
It was found that almost 100% Li can be used for discharge when capacity of air electrode is excess. Application of Li intercalated compound, LiC6, was also studied. It was found that charge and discharge was also possible by using LiC6 instead of Li metal. Therefore, application of Li intercalated metal like Si, is highly promising for Li-air rechargeable battery with high safety.
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