Creation of high functional Li-air battery based on synergy effect of multi-catalysis

基于多重催化协同效应打造高功能锂空气电池

• 批准号: 21K18835
• 负责人: 石崎 貴裕
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Shibaura Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18835/
• 关键词: Li空気電池; カーボン系材料; 触媒; 深共晶溶媒; 酸素の酸化還元反応

本研究では、Li空気電池の触媒として使用可能なポーラスカーボン系正極材の開発および作成した深共晶溶媒（DES）の物性値の測定を行った。カーボン合成では、酸素還元反応の触媒として有効なCo-N-C結合を有するポーラスカーボンを金属有機構造体（MOF）を、そしてカーボンの結晶性向上を目的として、Cu源を原料に用いて合成した。前駆体のMOFを合成する原料には、硝酸コバルト、硝酸亜鉛、硝酸銅と2-Methylimidazole(2MZ)を用いた。これらの金属源の混合比を変更させてMOFを合成し、その後熱処理することで、マクロポーラスカーボンを合成した。合成したカーボンのSEM像から約300nmの直径を有するポーラス構造が形成されていることを確認した。合成した試料の窒素含有量をＸ線光電子分光法(XPS)で測定した結果、窒素の割合は1.0～2.5at%であり、窒素含有量は使用したCu源の濃度に応じて変化した。合成したカーボン材料を正極材に用いてLi空気電池を構築し、その充放電試験を行った。Cu含有量が最小の時に放電電圧が最も高く，Cu含有量の増加に伴い放電電圧が低下した。また，放電容量の大きさは、Cu含有量が中程度の時に最も大きく、その値は約3700 mAh/gであった。この結果から、作製したマクロポーラスカーボン材料はLi空気電池として作動することを明らかにした。また、溶液中のプラズマを用いてNあるいはPを含んだポーラスカーボン材料を合成する技術開発を行った。窒素源としてN-メチル-2-ピロリジノンを、P源として50%フィチン(Phy)酸溶液を用いた。合成したカーボン材料はORRに対する触媒性を示した。DESの開発では、硝酸リチウムとN-メチルアセトアミドを特定のモル比率で混合し，深共晶溶媒を得た。その深共晶溶媒の各種物性値（粘性、難燃性、溶液抵抗等）の測定を行った。

在这项研究中，我们开发了一种可用作锂空气电池催化剂的多孔碳基正极材料，并测量了所创建的低共熔溶剂（DES）的物理性能。在碳合成中，将具有Co-N-C键的多孔碳作为金属有机骨架（MOF）合成，可有效作为氧还原反应的催化剂，并以Cu源为原料来提高其结晶度碳。以硝酸钴、硝酸锌、硝酸铜和2-甲基咪唑(2MZ)为原料合成了前驱体MOF。通过改变这些金属源的混合比例合成了MOF，并通过随后的热处理合成了大孔碳。合成碳的SEM图像证实形成了直径约300nm的多孔结构。通过X射线光电子能谱(XPS)测量合成样品的氮含量，氮百分比为1.0至2.5at％，并且氮含量根据所使用的Cu源的浓度而变化。使用合成的碳材料作为正极材料构建锂空气电池，并进行充电/放电测试。当Cu含量最小时，放电电压最高，随着Cu含量增加，放电电压降低。此外，当Cu含量中等时，放电容量最大，其值约为3700mAh/g。这些结果表明，所制造的大孔碳材料可以作为锂空气电池使用。我们还开发了一种利用溶液中的等离子体合成含氮或磷的多孔碳材料的技术。使用N-甲基-2-吡咯烷酮作为氮源，使用50%植酸溶液作为磷源。合成的碳材料表现出 ORR 催化性能。在DES的开发中，通过将硝酸锂和N-甲基乙酰胺以特定摩尔比混合得到低共熔溶剂。测量了低共熔溶剂的各种物理性能（粘度、阻燃性、耐溶液性等）。

项目成果

Solution plasma synthesis of carbon-based electrocatalysts for cathode materials of Li-air battery

溶液等离子体合成锂空气电池正极材料碳基电催化剂

• 发表时间: 2022
• 作者: Takahiro Ishizaki; Yuka Hiratoge; Kaito Fukushima; Kenichi Tanaka
• 通讯作者: Kenichi Tanaka

Metal-N-C結合を有するマクロポーラスカーボン系触媒材料の合成と特性評価

金属-N-C键大孔碳催化剂材料的合成与表征

• 发表时间: 2022
• 作者: 山本海輝;田中健一;福島魁人;石﨑貴裕
• 通讯作者: 石﨑貴裕

自己修復能を有するゲルポリマー電解質を用いたリチウム空気電池の作製と評価

具有自修复能力的凝胶聚合物电解质锂空气电池的制备与评价

• 发表时间: 2022
• 作者: 福島魁人;田中健一;石﨑貴裕
• 通讯作者: 石﨑貴裕

ソリューションプラズマプロセスによるカーボン系固体酸触媒の合成

溶液等离子体法合成碳基固体酸催化剂

• 发表时间: 2022
• 作者: 安藤 総一郎;平峠 由佳;澤田 陸;石﨑 貴裕
• 通讯作者: 石﨑 貴裕

Recent progress of carbon-based electrocatalytic materials in Lithium-based batteries

碳基电催化材料在锂基电池中的研究进展

• DOI: 10.1016/j.susmat.2021.e00384
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 9.6
• 作者: Pengfei Wang; Jiahong Zhang; Peng Ying; Xiulan Hu; Lei Miao; Takahiro Ishizaki
• 通讯作者: Takahiro Ishizaki