東工大など、充放電過程のリチウム電池内部で起こる反応を直接観測

東京工業大学(東工大)、高エネルギー加速器研究機構(KEK)、京都大学(京大)は6月30日、充放電しているリチウムイオン電池の内部で起こる不均一かつ非平衡状態で進行する材料の複雑な構造変化を原子レベルで解析することに成功したと発表した。

同成果は、東工大 田港聡研究員、菅野了次教授、KEK 米村雅雄特別准教授、神山崇教授、京大 森一広准教授、福永俊晴教授、荒井創特定教授、右京良雄特定教授、内本喜晴教授、小久見善八特任教授らの研究グループによるもので、6月30日付けの英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

電池反応を解明するための解析技術のひとつにモデル系電池を用いた分析手法がある。既存の分析手法をそのまま適用する同手法では、電池そのものの形状を分析手法が適用できる環境に合わせる必要があるが、実際に使用する電池とは異なる形状での解析結果は、実電池のものと一致しないという課題がある。

そこで、同研究グループは、実電池の形状を変化させずに実動作環境下で、リチウム二次電池の充放電過程における電池内部の電気化学反応およびその反応に対応した電極材料の構造変化を観測するため、大強度陽子加速器施設J-PARCに設置された特殊環境中性子回折計を用い、Time-Of-Flight(TOF)法を用いた中性子回折測定技術によるリチウムイオンの挙動の直接観察を試みた。

今回、リチウム二次電池としては最も一般的な18650型円筒リチウムイオン電池を利用し、0.05～2Cレートの異なる充放電レートの充放電過程をリアルタイムに観測した。この結果、負極電極合材中において、高レートの反応では不均一に反応が進行し、充放電終了後に緩和過程が存在すること、電池反応に関与しない電極合材部分が出現すること、充電と放電とで反応機構が異なることなど、充放電レートに依存して非平衡に反応が進行することが明らかになった。一方、正極電極合材中においては、充放電後に電池を分解して解析していた従来の報告とは異なり、放電時に使用される組成領域が、高充放電レートでは変化することが明らかになった。

今回の成果のように、実電池の内部の材料の構造変化を実際の充放電時にリアルタイムで観測可能になったことは、充放電サイクルに伴う劣化挙動、長期保存時の経時変化、高温や低温での使用時の劣化挙動など、蓄電池の信頼性や安全性に関する詳細な情報を容易に得られることを示している。同研究グループは、リチウムイオン電池のさらなる高性能化に寄与できるとともに、次世代蓄電池の開発に大きく貢献することが期待できると説明している。