米乐m6官方网站【会长：野间口裕】（以下简称“产业技术研究所”）能源技术研究部【研究部主任：门口克彦】高级研究员兼能源界面技术组研究组组长周浩申、产业技术研究所特别研究员张涛离子液体带电解质碳纳米管由 (CNT) 组成Gel空气杆不仅可以在氧气气氛中运行，还可以在空气中运行锂空气电池
由于传统的锂空气电池采用有机电解液作为电解质，因此存在易着火、蒸发、分解等问题。这次，我们采用离子液体作为电解质、凝胶作为空气电极的设计，创造出了比传统电池更安全、运行更稳定的锂空气电池。新开发的锂空气电池首次实现了空气中可逆大容量（10000mAh/g）充放电。
该研究成果发表在德国学术期刊应用化学国际版
 |
|
锂空气电池中使用的传统空气电极和新开发的凝胶空气电极的示意图（左）
凝胶空气电极中电子传导路径、离子传导路径和空气扩散路径示意图（右）
右图中的丝状东西是碳纳米管。右图上部显示离子液体的离子（紫色）和阳离子（绿色）。
|
近年来，由于环境和能源问题，电动汽车变得越来越流行。目前，电动汽车锂离子电池，但性能还不够，需要开发可以行驶更远距离的高性能蓄电池。因此，理论上电池容量约为目前锂离子电池的5至8倍。重量エネルギー密度作为后锂离子电池而受到关注。然而，使用有机电解质的锂空气电池存在着火、蒸发、有机电解质分解以及空气中水分溶解等问题，因此寻找更稳定的电解质材料仍在继续。另外，如果空气中的氮气、水分等溶解到有机电解液中，则存在与负极中的金属锂发生化学反应的风险，因此使用有机电解液的锂空气电池必须在纯氧气氛下进行测试。
产业技术研究院正在进行研究开发，目标是将下一代“锂离子电池”商业化。到目前为止，我们已经证明可以通过使电极材料纳米结构来增加输出（2008 年 8 月 27 日 AIST 新闻稿）。此外，混合电解质型锂空气电池（2009 年 2 月 24 日 AIST 新闻稿、2011 年 4 月 26 日 AIST 主要研究成果) 正在继续研究和开发，这一结果是该努力的一部分。
这项研究的一部分是在内阁府尖端研究和开发支持计划“创建高性能储能设备的创新基础研究（2009-2013）”的支持下进行的。
锂空气电池利用空气中的氧气进行电化学反应，放电时，经过外电路的电子和电解液中的锂离子与扩散到空气电极中的氧气发生反应，产生过氧化锂（Li2O2)。为了持续稳定放电并获得大容量，整个空气电极必须有三维的电子传导路径、离子传导路径和空气扩散路径。然而，在使用传统有机电解质的锂空气电池中，空气电极毛孔由于充满了有机电解质，因此认为主要是溶解在有机电解质中的氧而不是空气中的氧与锂离子发生反应。因此，认为有机电解质中溶解的氧量、扩散速度等影响电池的性能。此外，由于溶解氧容易与有机电解质反应，因此不能进行理想的电化学反应，导致放电期间的电压、容量和输出特性显着劣化的问题。
为了解决这些问题，我们决定使用不易燃且不易挥发的离子液体作为电解质，并使用不会被液体润湿的防水凝胶作为空气电极。离子液体在空气中稳定，10-3S厘米-1还有报道称其对氧表现出相对较高的稳定性。作为空气电极，我们仅将充当电子传导路径的碳纳米管和充当离子传导路径的离子液体混合制成准固体防水凝胶。已确认离子液体和水不会进入该凝胶的细孔中，并且由于这些细孔充当空气扩散路径，因此通过这些路径稳定地供给空气中的氧气。
我们对采用这种结构的锂空气电池在空气气氛中流过恒定电流时的充电和放电特性进行了研究，并确认可以进行放电和充电（图1）。换句话说，我们在世界上首次成功地使用了使用离子液体和凝胶空气电极的锂空气电池，在空气中可逆且高容量地工作，这在以前是很困难的。我们还发现，单位重量的 CNT 可以获得超过 10,000 mAh/g 的容量（图 1，右）。此外，通过将充电和放电限制为恒定容量（1000mAh/g），在10个循环中获得了稳定的充电和放电特性（图1左）。
 |
|
图1 所开发的锂空气电池的1000mAh/gCNT的充放电循环特性在空气中，容量恒定（左）和 200 mA/gCNT的充放电特性在空气中恒流（右）
|
未来，我们将提高憎水凝胶空气电极的性能并优化电池配置，旨在开发出性能更加优异的锂空气电池。
国立产业技术综合研究所
能源技术研究部
能源接口技术组高级研究员、课题组组长周浩信邮箱：hszhou*aistgojp（发送前请将*改为@。）