独立行政机构 国立产业技术综合研究所 [会长：野间口佑]（以下简称“AIST”） 能源技术研究部 [研究主任：长谷川博夫] 能源界面技术研究组 研究组组长：周浩申；研究员：刘银柱；研究员：贵金属和金属氧化物
催化剂石墨烯的新模型对于空气电极
锂空气电池 传统锂空气电池的空气电极以贵金属和金属氧化物催化剂为原料，经过复杂的工艺制成。这次，我们使用不含任何此类催化剂的石墨烯空气电极开发了一种具有“金属锂/有机电解质/固体电解质/水电解质/石墨烯空气电极”结构的锂空气电池。该石墨烯空气电极具有与由含有20wt％铂(Pt)的炭黑制成的空气电极接近的氧还原活性。开发的锂空气电池的05mA/cm2的电流重复充放电约50次后，电位也几乎不劣化，能够进行稳定的重复充放电。
该研究成果发表在2011年3月25日的《美国化学杂志》上ACS 纳米以电子版发布。
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图1 使用仅由石墨烯制成的空气电极的锂空气电池的结构图（左）。石墨烯还原氧的图像（中）。使用石墨烯正极的05 mA/cm2的充放电循环曲线（正确的）。
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近年来，在化石燃料消耗导致二氧化碳排放量增加以及原油价格大幅波动的背景下，将汽车能源从汽油或柴油转换为电能的技术开发备受关注。电动汽车的实用化不断进步，需要锂离子蓄电池具有更大的容量和更高的能量密度，以实现长距离行驶。然而，目前的情况
锂离子电池电池容量有限，难以长距离行驶。因此，理论上比锂离子电池具有更大容量和更高能量密度的锂空气电池作为下一代电动汽车电池而受到关注，并且正在积极进行研究以将其投入实际应用。
产业技术研究院能源技术研究部已表明，纳米结构电极材料可实现高输出，目标是实现下一代“锂离子电池”的商业化（
2005 年 1 月 18 日、
2007 年 11 月 19 日、
2008 年 8 月 27 日AIST 新闻稿）。另外，
混合电解质，锂空气电池(
2009 年 2 月 24 日 AIST 新闻稿)进行了研发。
使用AIST迄今为止开发的混合电解质的锂空气电池使用带有固定催化剂的空气电极。空气电极由高温烧结生产的贵金属或金属氧化物等超细颗粒催化剂、高比表面积碳材料与粘结剂混合制成的催化剂层以及疏水性空气扩散层组成，制作工艺极为复杂。
石墨烯这次是O2+2H2O+4e-→ 4OH-一样，具有还原空气中氧气的催化作用。基于这一发现，我们将石墨烯作为空气电极、金属锂负极和混合电解质（有机电解质/固体电解质/水电解质）相结合，开发出一种“金属锂/有机电解质/固体电解质/水溶性电解质/石墨烯空气电极”结构的锂空气电池。为了确认传统燃料电池中使用的石墨烯阴极、石墨烯、含有 20 wt% Pt 的炭黑的性能，乙炔黑）制成的空气电极制造了锂空气电池，并比较了它们的放电电压（图2）。经证实，新开发的石墨烯空气电极即使在放电数十小时后，也具有接近于碱性水溶液中含有20wt％Pt的炭黑空气电极的催化活性。此外，使用在含有4%氢气的氩气气氛中热处理的石墨烯作为空气电极，制备了具有相同结构的锂空气电池。空气中05 mA/cm2的电流重复充放电约50次后，充放电电位也没有观察到大的变化，确认了稳定的充放电循环特性。
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图2 使用石墨烯、含20wt% Pt的炭黑、乙炔黑和乙炔黑作为空气电极的锂空气电池放电期间电池电压的时间变化
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图3 使用石墨烯、热处理石墨烯和乙炔黑作为空气电极的锂空气电池在重复充电和放电循环期间电池电压的变化。
照片是片状石墨烯的透射电子显微镜图像（电子束衍射图在黄色框内）。
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国立产业技术综合研究所
能源技术研究部能源接口技术组
课题组组长周浩申邮箱：hszhou*aistgojp（发送前请将*改为@。）
能源技术研究部
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