科學研究 - 日本開發出有助於鋅空氣電池實施二次電池化的電解質

日本產業技術綜合研究所（以下簡稱「產綜研」）與京都大學共同開發了鋅空氣二次電池用電解質，能抑制充放電造成的劣化。

透過採用將氯化鋅濃度提高到極限的氯化鋅水合物熔鹽作爲液體電解質，抑制了揮發性和二氧化碳吸收。由此可實施大容量、長壽命的鋅空氣二次電池。

相關技術詳情已於2019年4月16日發表在《先進能源應用材料》（Advanced Energy Materials）上。

現有的採用鹼性水溶液的鋅空氣電池模式圖及存在的課題

研究背景

最近，鋅空氣電池作爲輕量大容量的新一代蓄電池受到關注。鋅的經濟性和安全，以及空氣電池的輕量性等特點，使其在行程產品和無人航空載具等領域的應用備受期待。不過，目前鋅空氣電池的電解質採用水溶液，還存在一些課題，例如水揮發後電解質會劣化；由於水溶液爲鹼性，會與空氣中的二氧化碳發生反應生成氧化鋅，削弱電極的性能；負極在充電時會生成影響性能的樹枝狀突起物枝晶等。

作爲新一代蓄電池發展專案的一部分，產綜研推進了電池用新材料的研發。此次產綜研在京都大學的協助下測量了電解質的特性，推進了旨在將鋅空氣電池變成二次電池的材料開發。鋅空氣電池因具備安全高和容量大的優點，一直作爲助聽器等的一次電池使用。

研究内容

此次開發的電解質採用高濃度的氯化鋅水溶液——氯化鋅水合物熔鹽。這種水溶液爲酸性，因此不會與二氧化碳發生反應。另外，由於氯化鋅的濃度達到了液體在室溫下的濃度極限，抑制了揮發性，同時還抑制了枝晶的形成。利用這種電解質，可實施長壽命的鋅空氣二次電池。

圖1是氯化鋅水溶液的分子配位對濃度的依賴性。在水合物熔鹽（圖中粉色）中，所有水分子均與鋅離子配位，因此能抑制揮發性和水解性。通常情況下，接觸到水的鋅金屬會與水發生反應，形成氧化鋅和氫氧化鋅覆膜，成爲增加電池超壓力的主要原因，但在這次的電解質中，由於所有水分子均與鋅離子配位，抑制了與鋅金屬之間的反應性，不容易形成覆膜，可以提高工作電壓。

圖1：鋅離子中的水分子配位對濃度的依賴性

採用鹼性水溶液作爲電解質的鋅空氣二次電池最初幾次的放電效率達到100％，但之後效率會急劇降低（圖2藍色），到第五次充放電時，容量降到了第一次的20％以下。而採用圖2紅色所示的氯化鋅水合物熔鹽的電池，充放電效率在前十次幾乎沒有變化，電壓也不會降低。估計其終極因數是，透過抑制與二氧化碳發生反應，以及抑制揮發性和枝晶的形成，防止了電極劣化，所以鋅空氣二次電池的壽命得到延長。