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锂空气电池的充电电压上升阻碍其实用化的原因得以确定

国立研究开发法人 物质材料研究机构(NIMS)

国立研究开发法人 科学技术振兴机构(JST)

概要

1.NIMS首次发现,锂空气电池(1)的充电电压很大程度上取决于放电时产生的过氧化锂(Li2O2)的“结晶度”,过氧化锂的结晶度越高则充电电压也越高。充电电压的上升阻碍了锂空气电池的实用化,而此次的成果将为如何控制其充电电压提供重要参考。

2.锂空气电池理论上具有极大的能量密度,因而有望用于无人机、IoT机器、以及电动汽车和家用蓄电池系统等各种领域。锂空气电池最大的问题是,充电电压(过电压(2))上升会引起副反应并降低循环寿命。但是,此前关于充电电压上升的原因知之甚少。

3.此次,研究小组着眼于放电产物——过氧化锂(Li2O2)的结晶度,首次发现结晶结构越无序(结晶度越低),则充电(分解)电压越低。此前,已知过氧化锂的生成(放电反应)包括①在碳电极上的反应和②通过电解液的反应(岐化反应(3))两种途径。本次研究发现,①反应中生成的Li2O2在3.5V以下可以充电(分解),而对于②反应,则需要4V以上的电压;此外,①生成的Li2O2结晶度较低(图1)。这一结果表明,充电电压上升的原因在于反应途径②生成的具有高结晶度的Li2O2,通过抑制其生成即可降低充电电压。

图1 锂空气电池的放电过程(生成Li2O2)的示意图

4.今后,根据该成果,研究小组将通过确立优先生成低结晶度过氧化锂(Li2O2)的方法,大幅延长锂空气电池的循环寿命,加速NIMS-SofBank尖端技术开发中心锂空气电池的实用化研究。

5.本研究主要作为JST战略创造研究推进事业 · 尖端低碳化技术开发特别重点技术领域的“下一代蓄电池”(ALCA-SSPRING)项目的一部分,由NIMS能源环境材料研究中心的博士后研究员Arghya DUUTTA、NIMS-SaftBank尖端技术开发中心久保佳实顾问(ALCA-SSPRING 下一代电池小组金属空气电池副组长(到2020年3月为止))、野村晃敬主任研究员、尖端材料分析研究中心伊藤仁彦主干研究员等组成的研究小组开展。

本研究成果已于2020年8月11日在Advanced Science杂志上在线发表。

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