Lithium ion intercalation into graphite in aqueous media

水介质中锂离子嵌入石墨

基本信息

批准号：
22K19087
负责人：
山田裕貴
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、リチウムイオン電池に使用されている電解液を有機溶媒系から水系に置き換えることを目的とする。その際に問題となるのが負極反応である。リチウムイオン電池の負極には黒鉛が用いられ、その充放電反応（リチウムイオンの挿入脱離反応）は極めて低い電位（強還元雰囲気）で起こるため、水の還元分解（水素発生）と競合してしまう。本研究では、低電位における水の還元分解反応を高度に抑制可能な黒鉛電極/電解液界面を探索した。本年度は、電極表面における水の還元分解反応の素過程について調べるとともに、黒鉛表面の疎水化手法について検討した。電極表面における水分子の状態を分光法により調べた結果、水系電解液のリチウム塩濃度によって水分子の表面集積状態が異なることが分かった。既に観察されているリチウム塩高濃度化による水の還元分解抑制の一因となっていると考えられる。また、黒鉛表面の疎水化手法として、疎水性ポリマーによる被覆方法について検討した。次年度に高濃度水系電解液（水和融体電解液）を組み合わせた評価を実施する。本研究により明らかとなった水の還元分解反応の素過程は、水素発生抑制に向けた重要な学術知見となる。競合する水素発生反応の抑制により、黒鉛電極へのリチウムイオン挿入反応に成功すれば、安全かつ高性能な水系リチウムイオン電池の実現が期待される。現行リチウムイオン電池は、使用されている有機電解液が可燃性であるため、火災事故が多発し、更なる用途拡大に向けた大きな障壁となっている。水系リチウムイオン電池では、火災リスクを最小化することができるため、火災事故が絶対に許されない用途への応用が大きく拡大する。

这项研究的目的是用水基电解质取代锂离子电池中使用的有机溶剂基电解质。这种情况下的问题是负极反应。石墨用于锂离子电池负极，其充放电反应（锂离子嵌入/脱嵌反应）发生在极低电位（强还原性气氛）下，因此与水（氢气）的还原分解竞争。一代）。在这项研究中，我们探索了一种石墨电极/电解质界面，可以高度抑制低电位下水的还原分解反应。今年，我们研究了水在电极表面的还原分解反应的基本过程，并研究了使石墨表面疏水的方法。使用分光法检查电极表面上的水分子的状态的结果发现，水分子的表面累积状态根据含水电解质的锂盐浓度而不同。这被认为是由于高浓度的锂盐而导致已经观察到的水还原分解受到抑制的一个促成因素。此外，作为使石墨表面疏水化的方法，我们研究了用疏水性聚合物涂覆石墨表面的方法。明年，我们将使用高浓度水性电解质（水合熔融电解质）的组合进行评估。本研究揭示的水还原分解反应的基本过程将为抑制氢气产生提供重要的学术知识。如果通过抑制竞争性产氢反应成功实现锂离子嵌入石墨电极的反应，则有望实现安全、高性能的水基锂离子电池。目前锂离子电池使用的有机电解液易燃，导致火灾事故多发，成为其进一步扩大使用的主要障碍。由于水基锂离子电池可以最大限度地降低火灾风险，因此其应用将极大地扩展到火灾事故绝对不可接受的应用领域。