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リチウムイオン電池内部の現象を直接観測・定量化する分析手法が開発

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日産自動車と日産アークは、13日、東京大学、京都大学、大阪府立大学と共同で、リチウムイオンバッテリーの充電、放電時に、正極材を構成する元素のどの元素からどのように電子が放出されたかを正確に把握することが可能となる分析手法を開発したと発表した。

この分析手法をバッテリー材料の研究開発に適用することにより、高容量、長寿命のバッテリーの開発が可能となり、その結果、電気自動車の将来の航続距離の拡大や更なる耐久性の向上につなげることができる。

今回開発した分析手法は、強度の強いX線のエネルギーを変えて照射して、物質の電子状態や局所構造を解析できる分析手法と、スーパーコンピューター「地球シミュレータ」を用いて理論的に電子状態を計算する手法を併用した全く新しい方法。

この手法では、L吸収端(X線のエネルギーを変えた際に、X線の吸収量が急激に増えるエネルギーの値)を利用したX吸収分光法を用いることで、電池反応に関与する電子の流れを直接観測できるようになった。さらに、スーパーコンピューター「地球シミュレータ」を用いた第一原理計算(理論的に電子状態を計算する手法)を組み合わせることにより、今まで間接的に推定するにとどまっていた電子移動量を高い精度で得ることが可能となった

日産アークは、この手法をこれまでの容量の約1.5倍となる高容量正極材料の有力候補として一般に期待されているリチウム過剰系高容量正極材料に適用し分析したところ、高電位状態で酸素に帰属する電子が充電反応に寄与していること、また、放電時にはマンガンに帰属する電子が放電反応に寄与していることを明確にとらえることができた。これらの分析結果は、本正極材料の実用化、および、更なる高容量、長寿命のバッテリー開発に向けた大きな一歩となるとしている。

高容量、長寿命のリチウムイオンバッテリーを開発するには、電極活物質にできるだけ多くのリチウムを蓄え、多くの電子を発生できる材料の設計が必要となる。そのためには、バッテリー中の電子の動きを把握することが重要となるが、今までの分析手法では、直接電子の動きを観察することができなかったため、電極活物質(マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、酸素(O)など)のどの元素からどの程度電子が放出されているのかを定量的に識別することができなかった。

これまでもX線吸収分光法を用いたバッテリーの解析は行われていたが、K吸収端を利用したものが主流であったため電池反応に直接関与する電子ではなく、原子内に束縛された電子(原子核に近く、原子核から離れにくいため充放電に関与しない電子)しか観測できなかった。

今回の開発は、長年の課題である、充放電時に流れる電流の起源を明らかにしながら、定量的に把握する、という手法を世界で初めて可能とした。これによって電池内部で起こっている現象、特に正極材に含まれる活物質の挙動を正確に把握することができ、より高性能、長寿命を可能とする電極材料の設計が可能となる。

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