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» 2018年09月06日 07時00分 公開

蓄電・発電機器:全固体電池の実用化を後押し、充放電中のLiイオンの動きを可視化

パナソニックらが、電池内部のリチウムイオンの動きを充放電中に可視化する技術を開発。次世代電池として期待される、全固体リチウムイオン電池の課題の一部を特定でき、実用化を後押しするとしている。

[長町基,スマートジャパン]

 パナソニックとファインセラミックスセンターは、名古屋大学と共同で、充放電中の全固体リチウム(Li)イオン電池のLiCoO2正極内における、Liイオンの動きを可視化する技術を開発したと発表した。この技術により、全固体Liイオン電池の実用化課題の一部を特定でき、同電池の実用化を後押しする成果としている。

 高い安全性と高エネルギー密度が期待できる全固体Liイオン電池は、液体電解質を用いた従来の電池の問題点を克服できる「革新電池」の一つとして、将来の電気自動車やハイブリッド自動車への搭載を目的に、世界中で研究開発が行われている。しかし全固体Liイオン電池は、電極/固体電解質界面におけるLiイオンの移動抵抗が極めて高く、これが実用化課題の一つとなっている。

 この課題を解決し、高性能な全固体電池を設計・開発するためには、電池内部でLiイオンがどのように移動しているかを視覚的に把握し、電池の設計にフィードバックさせる必要がある。だが、電池の反応はナノメートル(10億分の1メートル)スケールの局所領域で生じており、また、軽元素であるLiは検出感度が低いため、充放電中におけるLiイオンの動きをナノスケールで視覚的に捉えることはできなかった。

 今回、パナソニックの有する電池技術にファインセラミックスセンターが有するオペランド観察技術(電池を充放電させながらその場で電子顕微鏡観察する技術)を応用。これにより、電池を充放電させながら、電子エネルギー損失分光法(EELS)で2次元のエネルギー損失スペクトルを測定することが可能となった。スペクトルには、Liによる信号が含まれているため、名古屋大学が有する高度画像解析技術(多変量解析技術)を用いることで、微弱なLiの信号をナノメートルスケールで明瞭に捉えることに成功した。

充放電中におけるLiCoO2正極内部のLiイオン濃度分布の変化 (クリックで拡大) 出典:パナソニック

 この新しいLiイメージング技術を用いて、LiCoO2正極/LASGTP固体電解質/その場形成負極からなる全固体Liイオン電池を充放電させながら、LiCoO2正極内部のLi分布および遷移元素であるCoの価数分布を2次元で観察した。充放電に従って、Liイオンが脱離/挿入している様子を明確に捉えることが可能になり、また、高度画像解析の結果から、LiCoO2正極/LASGTP固体電解質界面近傍にはCo3O4が多数混在しており、Liイオンのスムーズな移動をさまたげていることが明らかになった。

 今回の観察結果を全固体電池の設計プロセスにフィードバックさせることにより、Liイオンの界面抵抗を抑制した電池設計が可能となり、その結果、Liイオンがスムーズに移動できる超高性能な全固体電池が実現できるという。また、今回開発したSTEM-EELS計測と高度画像解析技術を、硫化物固体電解質を用いた全固体Liイオン電池やナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池などにも応用することができ、さまざまな種類の全固体電池の実用化への貢献が期待できるとしている。

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