mile米乐集团 降低锂空气电池的过压

米乐m6官方网站［理事长中钵良二］（以下简称“AIST”）能源效率研究部［研究室长宗像哲夫］能源界面技术研究组周浩申首席研究员（兼）研究组组长（兼）东京大学先进电池材料与社会合作课程特聘教授（以下简称“合作主席”）为：李福军，日本产业技术研究所特约研究员（兼）筑波大学研究生院博士生合作课程研究员吴世超，李德，原日本产业技术研究所特约研究员，张涛，原日本产业技术研究所特约研究员，东京大学【院长五上诚】工学研究科山田敦夫与南京大学教授（兼）特聘教授、副教授何平合作的含有少量水的有机电解质作为催化剂DMSO,锂空气电池的空气杆的过压

锂空气电池利用空气中的氧气进行电化学反应，所以理论上目前的情况是锂离子电池远高于重力能量密度另一方面，锂空气电池存在各种问题，短期内尚不具备实用化的条件。主要问题之一是锂和氧之间的电化学反应不能理想地进行，导致放电时获得的电压与充电所需的电压之间存在约10V的较大差异。能源效率变得更糟。

　这次，在旨在阐明空气电极充放电反应机理以及降低过电压的基础研究中，我们对空气电极进行了研究碳、钌、二氧化锰，向有机电解质DMSO中添加少量水（=约100ppm)，充电过电压显着降低至约021V，并确认放电时获得的电压与充电所需电压之间的差异仅为032V。

　该成果于2015年7月24日18:00（日本时间）发表在英国国际科学期刊上自然通讯

开发的锂空气电池空气电极的倍率特性（左）和电流密度500 mA/g (=025 mA/cm2)充电/放电周期特征（右）

　近年来，由于能源和环境问题，电动汽车越来越受欢迎。目前，电动汽车均配备锂离子电池，但需要开发可以行驶更远距离的高性能蓄电池。因此，理论上重量能量密度约为现有锂离子电池5至8倍的锂空气电池作为后锂离子电池而备受关注。然而，存在诸如空气电极处的充电和放电的反应机理尚不清楚、充电期间的过电压达到10V以上的大值、以及充/放电循环特性差等问题。

　迄今为止，AIST已经证明，通过将电极材料纳米化，可以实现高产量，以实现下一代锂离子电池的商业化（2008 年 8 月 27 日 AIST 新闻稿）。此外，新型锂空气电池（2009 年 2 月 24 日 AIST 新闻稿、2012 年 11 月 5 日 AIST 主要研究成果)已被研究和开发。目前，作为下一代蓄电池，锂硫电池、钠离子电池的研究，我们正在继续研究和开发锂空气电池。

　锂空气电池使用空气中的氧气（O₂)用于电化学反应。放电时，来自外电路的电子与电解液中的锂离子（Li⁺11303_11342₂O₂) 充电时，反之 Li₂O₂通过析氧反应分解并变成锂离子和氧气。然而，空气电极处的Li₂O₂氧气生成反应的过电压达到10V以上的大值，并且该高过电压腐蚀空气电极中使用的碳和催化剂。因此，正在积极研究使用无碳空气电极作为腐蚀对策和使用碘离子作为过电压对策。

　这次，我们重点关注非水锂空气电池中一直避免使用的水。在该测量系统中，为了评估空气电极的过电压，使用磷酸铁锂(LiFePO₄)，在DMSO中加入少量水(约100ppm)制成有机电解质，空气电极催化剂为碳、钌(Ru)、二氧化锰(MnO₂)。在具有这种构造的电池中，通过空气电极上的放电产生Li₂O₂是 H₂与 O 反应生成固体氢氧化锂 (LiOH) 和过氧化氢 (H₂O₂)(李₂O₂+2H₂O = 2LiOH + H₂O₂）。在低电势下，LiOH 通过析氧反应分解，Li⁺，哦₂和 H₂O 和 H₂O₂还有二氧化锰₂在催化氧化还原反应中，O₂和 H₂变成O。在这些反应中，H₂O通过在中间体LiOH中循环而不被消耗而发挥催化剂的作用。对于该空气电极，空气电极碳+Ru+MnO₂的重量计，电流密度为250mA/g时，充放电过电压分别降低至021V和011V，放电时获得的电压与充电所需电压之差仅为032V。此外，当电流密度为500mA/g和1000mA/g时，充电过电压显着降低。另外，在放电容量1000mAh/g的充放电循环试验中，200次也获得了稳定的充放电循环特性。

　未来，我们将针对锂空气电池的空气电极进行优化配置和运行环境研究，扩展到DMSO以外的电解液，积累锂空气电池的基础研究，以开发出表现出优异性能的锂空气电池。

◆东京大学先进电池材料与社会合作课程

东京大学工学研究科化学系统工学系在与三菱汽车公司的联合研究基金的资助下，于2010年1月至2015年3月设立了“先进电池材料技术社会合作课程”。[返回来源]

◆DMSO

二甲基亚砜有机电解质的缩写。[返回来源]

◆锂空气电池

使用金属锂作为负极活性物质、空气中的氧气作为正极活性物质的电池。锂是金属中最容易电离的，当用作负极时，与正极有很大的电位差，从而产生很高的电压。此外，由于锂和氧都是轻元素，因此有望使电池变得更轻、容量更大，并且正在研究作为汽车用电池。[返回来源]

◆空气电极

一种电极，在燃料电池和空气电池中充当氧气（正极活性材料）的反应位点。锂空气电池由贵金属或过渡金属氧化物等催化剂、提供电子传导性的碳材料以及将它们固定到金属集流体的粘合剂组成。[返回来源]

◆过压

实际测量的电压与理论计算的电压之间的差异。[返回来源]

◆锂离子电池

该电池具有目前电池中最高的工作电压（3至4V），并使用钴酸锂等过渡金属氧化物作为正极，石墨基碳材料作为负极，有机电解质作为构成材料。它通过在充电期间将锂离子从正极移动到负极以及在放电期间从负极移动到正极来作为电池工作。它们于20世纪90年代初投入实际使用，由于每单位电池体积或重量可提取的能量（能量密度）远大于其他电池类型，因此它们已成为手机和笔记本电脑等移动设备不可或缺的电源。[返回来源]

◆重力能量密度

单位重量的电池可以存储或提取的电能量。电能表示为电池平均电压与电池容量的乘积。该值越大，当需要一定量的电能时，所需电池的重量越轻，有利于实际使用。[返回来源]

◆能源效率

广义上是指可回收（利用）的能量与输入的能量之比。这里，它是指电池放电获得的能量与充电所需能量的比值。[返回来源]

◆碳、钌、二氧化锰

碳、金属钌 (Ru) 和氧化二氧化锰 (MnO₂)混合并用作空气电极。[返回来源]

◆ppm

代表百万分之一的数字。 100 ppm 是 100/1,000,000（百万分之一）。[返回来源]

◆电流密度

电池充放电时流经电极的电流除以电极材料的重量计算得出的值。它作为充电和放电的指示器。[返回来源]

◆充放电循环

为了考察二次电池（可反复充放电的电池）的寿命和稳定性，反复充放电称为充放电循环。[返回来源]

◆锂硫电池

使用硫或含有硫的混合物作为正极、金属锂作为负极、有机电解质作为构成材料的电池。它通过在充电期间将锂离子从正极移动到负极以及在放电期间从负极移动到正极来作为电池工作。尽管它作为下一代蓄电池因其理论上具有高能量密度而受到关注，但由于尚未解决负极的安全性和正极产生的放电产物的溶解等问题，因此尚未投入实际使用。[返回来源]

◆钠离子电池

代替锂离子电池中的锂离子，钠离子在充电时从正极移动到负极，在放电时从负极移动到正极，因此电池作为电池运行。由于它使用的是地球上储量远多于锂的元素钠，因此作为下一代蓄电池而备受关注，但目前仍处于基础研究阶段，尚未投入实际使用。[返回来源]