森一広 原子炉実験所准教授、福永俊晴 産官学連携本部教授、荒井創 同特定教授、右京良雄 同特定教授、小久見善八 同特任教授、内本喜晴 人間・環境学研究科教授と、東京工業大学、高エネルギー加速器研究機構との共同研究ループは実際に充放電しているリチウムイオン電池の内部で起こる不均一かつ非平衡状態で進行する材料の複雑な構造変化を原子レベルで解析することに成功しました。
本研究成果は2016年6月30日（英国時間）発行の英国科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
革新型蓄電池先端科学基礎研究事業（RISINGプロジェクト）に基づいて、大強度陽子加速器施設（J-PARC）に設置された特殊環境中性子回折計（SPICA：BL09）を用いて、本研究成果が得られました。本研究成果により、リチウムイオン電池のみならず、現在、開発が進んでいる全固体電池やリチウム酸素電池、マグネシウム電池、リチウム硫黄電池、アニオン電池など、次世代の蓄電池の反応挙動を実電池に基づいて解明することが可能になります。また、リチウムイオン電池のさらなる高性能化に寄与できるとともに、次世代蓄電池の開発に大きく貢献すると期待できます。
本研究成果のポイント
- 蓄電池特性を左右するイオンの動きなどのリアルタイム観測手法を開発
- 実用蓄電池の充放電時に現れる電池内部の非平衡状態の反応を世界で初めて直接観測
- 大型蓄電池の反応・劣化挙動の解明に威力
概要
リチウムイオン電池は1991年に小型電子機器用として利用が始まり、優れた安定性に加えて、高いエネルギー密度と出力特性を兼ね備えた電池として発展してきました。現在では電気自動車やハイブリッドの車載用蓄電池や、電力貯蔵用の定置型蓄電池としても利用されるようになってきており、リチウムイオン電池の発売から25年以上経過した現在も社会的なニーズは高く、利用方法の広がりに伴って、さらなる高エネルギー密度と高出力、長寿命、高信頼性が望まれています。
より一層、リチウムイオン電池の特性向上に向けたブレークスルーを引き起こすには、ブラックボックス化した蓄電池内部の充放電時の現象を実際に目に見えるようにするための新たな分析手段が必要です。この電池反応を解明するためのさまざまな解析技術の一つがモデル系電池（分析等の別の目的の達成のために理想的な形状に改造された試験用電池）を用いた分析ですが、既存の分析手法をそのまま適用するこの手法では、電池そのものの形状を分析手法が適用できる環境に合わせる必要があります。
しかし、実際に使用する電池とは異なる形状での解析は、実電池のものと一致しないため、実電池を用いた実際の使用環境下で電池反応が観測できる新たな分析手法の開発が熱望されていました。
そこで、本研究グループは中性子線を用いて、非破壊かつリアルタイムに観測し、そのデータを自動解析するシステムを開発しました。この刻一刻と変化する電池反応を観測し、解明できる手法の開発は画期的です。
蓄電池の信頼性や安全性に関する詳細な情報が容易に得られるため、リチウムイオン電池のさらなる高性能化だけでなく、全固体電池などの次世代蓄電池開発にも大きく貢献すると期待されます。
図：実用蓄電池オペランド測定用中性子回折計（BL09 : 特殊環境中性子回折計、SPICA）の外観図(A)および、実験の概要図(B)。オペランド測定は、非破壊のまま18650型円筒リチウムイオン電池(C)をSPICAの中心に設置し、電池に電気を流し充放電反応を進行させたまま、パルス中性子を照射し電池反応をリアルタイムに観測する。中性子は金属に覆われた蓄電池内部まで透過し、電極で散乱（回折）され、検出器に到達する。検出器に到達した中性子の時刻と角度をデータ処理すると、観測結果として回折図形が得られる。この回折図形には、18650型円筒電池の拡大図(D)に示すように、正極、負極、集電体、電池のケースからの固有の回折線が含まれる。これらの回折線の変化を解析することでリアルタイムな電池反応に伴うリチウムイオンを含むイオン（原子）の配列や濃度（占有率）の変化を解析できる。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】
http://dx.doi.org/10.1038/srep28843
【KURENAI】
http://hdl.handle.net/2433/215875
Sou Taminato, Masao Yonemura, Shinya Shiotani, Takashi Kamiyama, Shuki Torii, Miki Nagao, Yoshihisa Ishikawa, Kazuhiro Mori, Toshiharu Fukunaga, Yohei Onodera, Takahiro Naka, Makoto Morishima, Yoshio Ukyo, Dyah Sulistyanintyas Adipranoto, Hajime Arai, Yoshiharu Uchimoto, Zempachi Ogumi, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama & Ryoji Kanno. (2016). Real-time observations of lithium battery reactions—operando neutron diffraction analysis during practical operation. Scientific Reports, 6: 28843.
