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リチウムイオン蓄電池の開発促進 電極表面の充放電特性を可視化する新技術

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リチウムイオン蓄電池の開発促進 電極表面の充放電特性を可視化する新技術

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構の開発チームは、電池材料表面の充放電特性をナノスケールで連続的に測定し、画像として可視化する「ナノ電気化学セル顕微鏡(NanoSECCM)」の開発に成功した。

NanoSECCMは、高速な電気化学評価が可能で、表面の反応性・電位をナノスケールでイメージングしたり、充放電時の電位変化を連側的にイメージングできるのが特長。今回、このNanoSECCMを用いて、市販のリチウムイオン2次電池の正極材料を測定し、ナノスケールの空間分解能で、10ミリ秒間隔で連続的に画像化することに成功した。これは、電極表面の充放電特性をナノスケールで画像化した世界で初めての成果で、今後高機能なリチウムイオン2次電池の開発指針を示すことが期待される。

また、NanoSECCMは、さまざまな対象について局所的な化学物質の検出ができるため、開発チームは、電池材料にとどまらず、材料の触媒能や生細胞の活性評価など、多岐にわたる応用が期待できる高度な装置を目指し、今後も開発を続けていく。

リチウムイオン2次電池の正極は混合材料でできているため、電極内部の特性や電極表面の構造が不均一で、電池の性能にも影響を与える。こうした不均一性をナノスケールで画像化し、その形成原因を解明できれば、高速で充放電が可能な長寿命電池の開発につながると考えられている。しかし、従来の電気化学測定法では、試料全体を電解液に浸ける必要があり、高い空間・時間分解能で局所的な充放電特性を評価することが困難だった。

NanoSECCMでは、先端の太さが数10ナノメートルのピペットに電解液を充填し、その先端を電池材料表面に近づける。ある一定のところまで近づけると、それらの間のわずかなすき間が電解液によってつながり、局所的に電気化学反応が起きる場を形成する。この技術により、リチウムの挿入脱離に伴う電流などの局所的な電気化学計測を可能とした。

今回の成果により、リチウムイオン2次電池の充放電特性をナノスケールで可視化できることになり、現在、戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)では、効率的なリチウムイオンの挿入脱離を可能とするための研究を進めている。電池材料の活物質について、結晶方位や粒界での反応性の違いの評価や、サイクル特性を向上するための導電助剤、結着材などの検討を通じて、高機能なリチウムイオン2次電池の開発指針を示すことを目標としている。

なお、高機能なリチウムイオン2次電池の開発につながるという観点から、今回の研究の一部は、科学技術振興機構の「戦略的創造研究推進事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)」技術領域「蓄電デバイス」における研究開発課題「界面イオン伝導顕微鏡を用いたリチウムインサーションのin-situ観察と高エネルギー密度LIBの開発」の支援を受けて実施された。

【参考】
東北大学 - 電池材料表面の充放電特性をナノスケールで画像化!

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