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» 2016年11月28日 11時00分 UPDATE

電気自動車:リチウムイオンの挙動を捕捉、蓄電池の高性能化へトヨタが新手法

トヨタ自動車は、リチウムイオン電池が充放電する際に電解液中を移動するリチウムイオンの挙動を、実際の製品の使用環境・条件でリアルタイムに観察できる手法を開発した。リチウムイオン電池の高性能化に向けた研究開発に寄与するもので、世界初の手法だという。

[陰山遼将,BUILT]

 トヨタ自動車(以下、トヨタ)は2016年11月24日、リチウムイオン電池が充放電する際の、電解液中のリチウムイオンの挙動を観察する手法を開発したと発表した。電池性能が低下する原因の1つであるリチウムイオンの偏りをリアルタイムで観察することができ、電池の性能・耐久性向上に向けた研究開発に寄与する成果としている。

 リチウムイオン電池は、充電時は正極から負極へ、放電時は負極から正極へとリチウムイオンが電解液中を移動することで電流が流れる。こうした充放電によって電極や電解液中のリチウムイオンに偏りが生まれ、これが電池の使用領域を制限し、電池の持つ性能を最大限引き出せる領域が減少する原因の1つとなっている。しかしリチウムイオンの偏りが生じるメカニズムを解明するのに、これまでの手法では実際の製品が利用される環境・条件と同一の状態でリチウムイオンの挙動を確認することはできなかった(図1)。

図1 放電中のリチウムイオン電池のイメージ(クリックで拡大)出典:トヨタ自動車

 今回トヨタが新たに開発した観察手法の特徴は、大きく2つある。1つ目が大型放射光施設「SPring-8」を用い、レントゲン装置の約10億倍の大強度X線を発生させることで、1ピクセルあたり0.65ミクロンの高解像度かつ1コマあたり100ミリ秒の高速計測を可能にした点だ。

 2つ目がリンに替わって重元素を含む電解液を使用し、リチウムイオンが電解液中を移動する際に結合するリン含有イオンを重元素含有イオンに置換した点である。重元素はリンと比べてX線を透過させにくい性質があり、X線透過後の撮影画像における影の濃淡が強くなる。この重元素の挙動を観察することで、電解液中で重元素と結合するLiイオンが偏る動きをリアルタイムに観察できるようにした。これにより製品同等の電池(ラミネートセル)を使用し、実際に使用される環境・条件と同一の状態で、充放電の経過とともに電解液中のリチウムイオンの偏りが生じるプロセスをリアルタイムで観察できるようになった(図2)。

図2 今回開発した観察手法のイメージ(クリックで拡大)出典:トヨタ自動車

 なお、この成果は豊田中央研究所、日本自動車部品総合研究所、北海道大学、東北大学、京都大学、立命館大学と共同で開発した。トヨタによれば、大強度X線と重元素を含む電解液を組み合わせてラミネートセルで可視化する手法は、世界初だという。

 今後トヨタでは正負極やセパレーター、電解液の材料や構造、電池の制御の違いなどによるLiイオンの挙動を観察し、電池性能低下のメカニズムを解析することで、搭載車両の航続距離や電池寿命といった電池の高性能化に向けた研究開発に活用していく方針だ。

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