科学研究 - 日本开发出有助于锌空气电池实现二次电池化的电解质

日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）与京都大学共同开发了锌空气二次电池用电解质，能抑制充放电造成的劣化。

通过采用将氯化锌浓度提高到极限的氯化锌水合物熔盐作为液体电解质，抑制了挥发性和二氧化碳吸收。由此可实现大容量、长寿命的锌空气二次电池。

相关技术详情已于2019年4月16日发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。

现有的采用碱性水溶液的锌空气电池模式图及存在的课题

研究背景

最近，锌空气电池作为轻量大容量的新一代蓄电池受到关注。锌的经济性和安全性，以及空气电池的轻量性等特点，使其在移动产品和无人机等领域的应用备受期待。不过，目前锌空气电池的电解质采用水溶液，还存在一些课题，例如水挥发后电解质会劣化；由于水溶液为碱性，会与空气中的二氧化碳发生反应生成氧化锌，削弱电极的性能；负极在充电时会生成影响性能的树枝状突起物枝晶等。

作为新一代蓄电池开发项目的一部分，产综研推进了电池用新材料的研发。此次产综研在京都大学的协助下测量了电解质的特性，推进了旨在将锌空气电池变成二次电池的材料开发。锌空气电池因具备安全性高和容量大的优点，一直作为助听器等的一次电池使用。

研究内容

此次开发的电解质采用高浓度的氯化锌水溶液——氯化锌水合物熔盐。这种水溶液为酸性，因此不会与二氧化碳发生反应。另外，由于氯化锌的浓度达到了液体在室温下的浓度极限，抑制了挥发性，同时还抑制了枝晶的形成。利用这种电解质，可实现长寿命的锌空气二次电池。

图1是氯化锌水溶液的分子配位对浓度的依赖性。在水合物熔盐（图中粉色）中，所有水分子均与锌离子配位，因此能抑制挥发性和水解性。通常情况下，接触到水的锌金属会与水发生反应，形成氧化锌和氢氧化锌覆膜，成为增加电池过压的主要原因，但在这次的电解质中，由于所有水分子均与锌离子配位，抑制了与锌金属之间的反应性，不容易形成覆膜，可以提高工作电压。

图1：锌离子中的水分子配位对浓度的依赖性

采用碱性水溶液作为电解质的锌空气二次电池最初几次的放电效率达到100％，但之后效率会急剧降低（图2蓝色），到第五次充放电时，容量降到了第一次的20％以下。而采用图2红色所示的氯化锌水合物熔盐的电池，充放电效率在前十次几乎没有变化，电压也不会降低。估计其原因是，通过抑制与二氧化碳发生反应，以及抑制挥发性和枝晶的形成，防止了电极劣化，所以锌空气二次电池的寿命得到延长。