> > リチウムイオン蓄電池、産総研・東大が充放電のしくみ解明に一歩前進

リチウムイオン蓄電池、産総研・東大が充放電のしくみ解明に一歩前進

記事を保存
リチウムイオン蓄電池、産総研・東大が充放電のしくみ解明に一歩前進

産業技術総合研究所と東京大学は共同で、リチウムイオン電池が充放電しているときの正極材料の詳細な電子状態を、軟X線発光分光法を用いて解明したと発表した。

既存材料を用いたリチウムイオン電池の充放電機構の詳細が明らかになることで、次世代のより高性能な電極材料開発に貢献できるものと期待される。

この研究のポイントとして、以下3点をあげる。

  • リチウムイオン電池が充放電する際の電極の電子状態を観測するための電池セルを開発
  • 軟X線発光分光法によりリチウムイオン電池電極の電子の詳細な振る舞いを解明
  • 充放電機構の解明により安定性の高いリチウムイオン電池の開発に期待

本研究では、充放電時の軟X線発光分光測定のために、有機電解液とリチウム負極を備えたリチウムイオン電池の正極を分析するための特殊な電池セルを開発した。この電池セルを用いて、マンガン酸リチウム正極中マンガン原子の充放電時の電子の出入りの様子を解析した。なお、軟X線発光分光測定は、大型放射光施設SPring-8の東大アウトステーションBL07LSUにおいて行った。

本研究の概要等は以下の通り。

開発の社会的背景

リチウムイオン電池用正極材料として広く用いられているマンガン酸リチウム(LiMn2O4)やコバルト酸リチウム(LiCoO2)などは、電気自動車や定置型蓄電システムなどの大型用途には充放電容量などの性能が不十分であり、また、低コスト化や充放電繰り返し特性の高性能化なども求められている。

このような正極材料の高性能化を効率的に進めるには、既存材料の充放電機構の解明が重要であり、充放電反応中のコバルト(Co)やマンガン(Mn)などの遷移金属元素での電子の出入り(酸化還元反応)を追跡するための研究が広く行われている。従来の放射光硬X線を用いたX線吸収分光法より詳細な情報が得られる放射光軟X線分光法の適用も進められているが、試料を真空中に置く必要があるため、電解液を伴った充放電動作中の正極電極や負極電極に対する軟X線分光測定は不可能であった。

この測定が可能になれば、より安価な電池や、より安全で長寿命な電池の開発が期待できる。また、電子状態の知見に基づいて、元素の置き換えなどの手法により電子状態を制御することによって、一般的には不活性と考えられる正極材料中の酸素の酸化還元反応も積極的に利用できれば、充放電容量の飛躍的な増大が見込めるため、リチウムイオン電池電極の軟X線分光測定が望まれている。

研究の内容

軟X線分光法では、軟X線は真空中を通す必要があるため、大気圧下の試料を測定するには、軟X線を透過させる窒化ケイ素を主体とする薄膜窓材を用いて、真空槽と大気圧槽を隔離する必要がある。近年、このような測定技術が開発されたが、有機電解液を伴うリチウムイオン電池やその電極材料を測定した例は見られなかった。

今回、窒化ケイ素窓材(150nm厚)がコートされているシリコン基板に、金属との密着性を上げるアルミナ層、チタンと金の二層から成る金属集電体層の順に積層膜を作成し、その後に、マンガン酸リチウムの薄膜を直接作製した。マンガン酸リチウム薄膜の厚さは100nm以下である。さらに、化学的な処理によってシリコン基板の中央部を除去し、窒化ケイ素窓材を露出させて、特殊な薄膜電極を作製した。この薄膜電極を正極とし、リチウム負極、リチウムイオン電池の評価で用いられている一般的な有機電解液と組み合わせて、充放電動作中に軟X線発光分光測定ができる電池セルを開発した。

電池セルの模式図

電池セルの模式図

1度充放電した後、2回目の充電前(3.4V)、充電時(4.5V)、放電時(3.0V)のマンガンの軟X線発光スペクトルを測定した。今回の手法によってマンガン酸リチウム正極中のマンガンの酸化還元反応が明らかになり、これまで困難であった、マンガン-酸素間の結合性や、+3価(Mn3+)と+4価(Mn4+)の2種類のマンガンの比率の情報も得ることが可能となった。

マンガン軟X線発光分光法の結果

マンガン軟X線発光分光法の結果

今後の予定

電極特性の改善に向けた元素置換などの開発指針が得られるよう、他の正極材料についても今回の手法を適用し、充放電繰り返し特性と原子間の化学結合との相関を系統的に明らかにしていく。また、この手法によって得られる電子状態の情報から電極材料の大容量化、高電位化、低コスト化に向けた開発指針を導くことも検討する。

なお、この研究は、科学研究費助成事業(独立行政法人日本学術振興会:若手研究(B)<課題番号25871186>)、経済産業省の受託事業「日米エネルギー環境技術研究・標準化協力事業(平成22~26年度)」による支援を受けて行った。

【参考】
産総研 - リチウムイオン電池が充放電する際の電極の詳細な電子状態を観測

関連セミナー・イベント情報

関連カテゴリ

プレスリリースを受け付けております

環境ビジネスオンラインでは、皆様からの環境に関する情報をお待ちしています。

新製品・新サービス、研究内容、法令情報、イベント・セミナー、海外の環境ビジネス情報など、お気軽にお寄せ下さい。お送り頂いた内容を、編集部にて拝見いたします。

こちらから、必要事項をご記入ください

Copyright © 2012 日本ビジネス出版. All rights reserved.