成果報告書詳細
管理番号20160000000455
タイトル平成26年度ー27年度成果報告書 革新型蓄電池先端科学基礎研究事業 革新型蓄電池先端科学基礎研究開発 層状ペロブスカイト酸化物を用いた金属空気電池用触媒の研究開発
公開日2016/7/7
報告書年度2014 - 2015
委託先名国立大学法人岩手大学
プロジェクト番号P09012
部署名スマートコミュニティ部
和文要約電気自動車の本格的普及に向けて、現行のリチウムイオン電池のエネルギー密度を飛躍的に向上させた500 Wh kg-1の容量を目指す革新蓄電池の研究を行った。正極活物質に酸素、負極活物質に亜鉛を用いる亜鉛空気電池の理論エネルギー重量密度は1082 Wh kg-1である。電気自動車の本格的普及に向けて、現行のLIBのエネルギー密度を飛躍的に向上させた、500 Wh kg-1の容量を目指す革新型蓄電池の研究の一環として、最初は亜鉛空気電池の水溶液系で空気極の開発に集中した。層状ペロブスカイト触媒の機能設計を行い、充電・放電特性を評価し、その結果をフィードバックすることにより、主に、亜鉛空気電池用の高性能可逆空気極層状ペロブスカイト触媒の開発を行った。
新型セルを用いて、対極をZn箔として、LSFOペレット電極の全電池特性を評価した。ペレットには、前項で最も良好な特性を示した質量比が100 : 25 : 2のLSFOペレット電極を採用した。新型セルを用いることにより、流路構造を有したLSFOペレット電極は、1.9 Vという低い電圧で充電が可能となった。また、1.9 Vの充電電圧を200時間近く安定して維持しており、良好なOER特性を有していることがわかった。
全電池特性の評価に向けた基礎的知見を得るために、まず流路構造持たない酸化物ペレットとしてNCOペレット電極を用いて放電時間を24時間、充電時間を6時間に制限し、同様のセル構成で試験を行った。室温にて、電圧範囲は0.5 - 2.5 Vとし、放電電流密度を 1 mA cm-2、充電電流密度を4 mA cm-2として評価した。NCOペレット電極では、放電電流密度 1 mA cm-2において平均放電電圧1.3 V、充電電流密度4 mA cm-2において平均充電電圧1.6 Vを示した。新型セルを用いることにより、流路構造を持たないNCOペレット電極においても放充電反応を発現することがわかった。
流路構造が全電池特性へ与える影響を検討するため、流路構造を有したLSFOペレット電極(質量比100 : 25 : 2)を用い、放電および充電時間を6時間に制限し、同様のセル構成で試験を行った。室温にて、電圧範囲は0.5 - 2.5 Vとし、放電電流密度を 1 mA cm-2、充電電流密度を4 mA cm-2として評価した。LSFOペレット電極では、空気(自然拡散)と比べ、O2雰囲気下(50 mL min-1)にすることより特性が向上した。このことから、LSFOペレットはO2との反応性があることがわかった。O2雰囲気下では、放電電流密度 1 mA cm-2において平均放電電圧1.5 V、充電電流密度4 mA cm-2において平均充電電圧1.9 Vを示し、電気容量6 mAh cm-2において効率78%を達成した。
英文要約The rechargeable metal-air battery is expected to become one of the most widely used batteries in the future. Since the capacitance of a Li-ion rechargeable battery is as low as 200 Wh kg-1, rechargeable batteries with higher capacitance are desirable. Metal-air rechargeable batteries have much higher theoretical capacitance (1082 Wh (kg-Zn)-1) than that of Li-ion rechargeable batteries.
To aim 500 Wh kg-1 capacitance with high efficiency in future, there are several challenging issues worth being studied. These include the slow kinetics of discharging and charging reactions at the air electrode, i.e., oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) on electrode catalysts. A ruddlesden-popper-type layered (RP) perovskite LaSr3Fe3O10 (n=3), an electrocatalyst for ORR and OER was proposed in this project..
A gas diffusion channel network (template: hydrocarbon and carbon materials) was applied to the RP-LaSr3Fe3O10 pellet-type electrode. Moreover carbon-free electrode was realized because of high electron conductivity of RP-LaSr3Fe3O10. The gas diffusion channel-type RP-LaSr3Fe3O10 electrode showed higher ORR and OER activity than normal RP-LaSr3Fe3O10 pellet-type electrode because of high diffusion of oxygen.
While theoretical terminal voltage of the Zn-air battery was 1.6 V, the terminal voltage of Zn-air battery using a carbon-free diffusion channel-type RP-LaSr3Fe3O10 electrode is as low was 1.9 V in charging at the current density of 1.0 mA cm-2. Both of the performance of electrode for ORR and the structure of RP-LaSr3Fe3O10 were stable at least around 200 h. Overpotential was less than 0.3 V, and performance was stable due to the absence of carbon, although carbon-containing electrode was unstable in charging because carbon was easily burn out in charging at high voltage.
On the other hand, the terminal voltage of the Zn-air battery using the carbon-free diffusion channel-type RP-LaSr3Fe3O10 electrode was as high as 1.5 V in discharging at the current density of 1.0 mA cm-2. Diffusion channel-type RP-LaSr3Fe3O10 electrode was stable at least around 6 h when O2 was fed at 50 ml/min. Charging at 1.9 V and discharging at 1.5 V cycle was confirmed at capacity of 6 mAh/ cm2 with high efficiency of 78% using Zn-air battery.
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