高輝度光科学研究センター(JASRI)、群馬大学、立命館大学、京都大学の研究グループは、米国・ノースイースタン大学、ベルギー・アントワープ大学、ポーランド・AGH科学技術大学の理論研究グループと共同で、大型放射光施設SPring-8の高輝度・高エネルギーの放射光X線を利用した実験と理論計算の併用により、蓄電池の性能を決める電子軌道の可視化に成功したことを発表した。この研究成果は、米国科学振興協会のオープンアクセス雑誌「Science Advances」に掲載された。

正極材料物質:オリビン型リン酸鉄リチウムの結晶構造(出所:高輝度光科学研究センターニュースリリース)

リチウムイオン電池では、リチウムの伝導電子が正極材料物質に移動することで、電流が発生する。正極材料物質が電子を受け取ったときに、その電子が収まる電子軌道を酸化・還元軌道と呼び、電位や電池容量などの電池性能を決める重要な因子として知られているが、実験上の難しさにより、その状態は明らかにされていませんでした。

研究グループは、電子運動量分布を計測できるという特長のある、100keV以上の高エネルギーX線を用いたコンプトン散乱法により、安全かつ高性能な蓄電池極材として知られるオリビン型リン酸鉄リチウムを測定し、高信頼度の理論計算と連携することにより、オリビン型リン酸鉄リチウムの多結晶体試料から酸化・還元軌道を可視化することに成功した。

その結果、酸化・還元軌道は正極材料物質の結晶歪みの具合によって大きく変化するだけでなく、酸化・還元軌道の状態変化は重要な電池性能のひとつである電位の変化に比例していることが明らかになった。すなわち、この知見を応用することで、高エネルギーＸ線を利用したコンプトン散乱法により電位シフトを計測できる。

コンプトン散乱法は、高い物質透過能を有する高エネルギーX線を用いているため、非破壊でリチウムイオン電池の内部を観察することができる。従来のコンプトン散乱法では、リチウムイオン濃度分布を測定する方法として使われてきたが、この研究の成果は、リチウム組成と比べてより深く電池性能と結びついている「酸化還元軌道」と「電位」の視点から、リチウムイオン電池の正極部の挙動を観察することできることを示している。

今後は、同研究で開発した手法を従来のコンプトン散乱法に組み込むことにより、電池動作を原子レベルで理解したり、診断したりできるようになり、大容量で高速充放電可能な高性能電池の設計・開発が進むものと期待されると説明している。