[論文レビュー] Cycling Li-O2 Batteries via LiOH Formation and Decomposition

Tao Liu, Michal Leskes+6 more|Apollo (University of Cambridge)|May 8, 2018

Advanced Battery Technologies Research被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、リチウム酸化物（Li2O2）の生成に依存する従来のリチウム-酸素電池の限界を克服するため、結晶性LiOHの生成と分解に依存する可逆的Li-O2電池システムを実証した。この手法では、還元グラフェン酸化物（rGO）電極、LiI添加物、ジメトキシエタン（DME）溶媒を用い、93.2%の高いエネルギー効率とわずか0.2 Vの電圧ギャップを達成した。また、優れた再充電性と水分をプロトン源として用いる耐性を示した。

ABSTRACT

The rechargeable aprotic Li-air (O2) battery is a promising potential technology for next generation energy storage, but its practical realization still faces many challenges. In contrast to the standard Li-O2 cells, which cycle via the formation of Li2O2, we use a reduced graphene oxide electrode, the additive LiI, and the solvent dimethoxyethane to reversibly form/remove crystalline LiOH with particle sizes > 15 um during discharge/charge. This leads to high specific capacities, excellent energy efficiency (93.2%) with a voltage gap of only 0.2 V, and impressive rechargeability. The cells tolerate high concentrations of water, water being the dominant proton source for the LiOH; together with LiI it has a decisive impact on the chemical nature of the discharge product and battery performance.

研究の動機と目的

• Li2O2の生成に依存する従来のリチウム-酸素電池が示す低い可逆性と副反応の問題を克服すること。
• 異なる反応経路を用いて、安定的かつ高可逆性の放電／充電メカニズムを実現すること。
• LiIおよび水分がLiOH生成を促進するメカニズムの役割を解明すること。
• 非プロトン性リチウム-酸素電池において高いエネルギー効率と低い電圧ヒステリシスを達成すること。
• 水分が存在する環境下でも実用的な運用が可能な耐性を示すことを実証すること。

提案手法

• 大粒の結晶性LiOH粒子（15 µm以上）の生成を支援するため、還元グラフェン酸化物（rGO）を空気陰極に用いる。
• 放電時にLiOHの生成を促進するため、LiIをレドックスメディエーターおよびプロトン源として用いる。
• LiOH生成物の安定化と可逆的電気化学反応を支援するため、ジメトキシエタン（DME）を電解質溶媒として用いる。
• Li2O2の生成を避けて、2Li + O2 + 2H+ → 2LiOHの経路を優位に進める反応環境を制御する。
• LiOH生成および分解の確認のため、インシチュおよびエクスリチチュの特性評価を併用した電気化学的サイクリングを実施する。
• 電圧プロファイルとコロニック効率のモニタリングにより、可逆性およびエネルギー効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非プロトン性条件下でLiOHが可逆的に生成・分解可能であるか、安定サイクリングが可能であるか。
• RQ2 LiIおよび水分がLi2O2に代わるLiOHベースの反応経路を促進する役割は何か。
• RQ3 rGOおよびDMEの使用が、大粒で安定したLiOH結晶の形成および可逆性の向上にどのように寄与するか。
• RQ4 LiOH生成／分解に基づくリチウム-酸素電池のエネルギー効率および電圧ヒステリシスはどの程度か。
• RQ5 本システムは、性能劣化を伴わず、どの程度の水分に耐性を示すか。

主な発見

• 充電と放電の間の電圧ギャップがわずか0.2 Vであり、93.2%の高いエネルギー効率を達成した。これは優れた可逆性を示している。
• 放電時に15 µmを超える結晶性LiOH粒子が生成され、充電時に完全に分解された。これにより反応の可逆性が確認された。
• 多数のサイクルにわたり優れた再充電性を示し、安定した容量保持率と低い極化を達成した。
• 水分がLiOH生成の主要なプロトン源であることが特定され、高濃度の水分下でも電池は正常に機能した。
• LiI添加物は反応のメディエーションおよびLiOH生成物の安定化に不可欠な役割を果たし、副反応の発生を防いだ。
• ジメトキシエタンを溶媒として用いることで、大粒で明確なLiOH結晶が形成され、副反応が抑制された。