内本喜晴 人間・環境学研究科教授、鈴木宏輔 群馬大学助教、櫻井浩 同教授らの研究グループは、高輝度光科学研究センター、トヨタ自動車株式会社、立命館大学と共同で、大型放射光施設SPring－8の高輝度・高エネルギーの放射光X線を用いて、動作下にある市販のリチウムイオン二次電池から、リチウムイオン濃度分布を測定し、正・負極内のリチウム組成変化を同時に明らかにすることに成功しました。
本研究成果は、国際結晶学連合発行の専門誌「Journal of Synchrotron Radiation」（2017年9月号）に掲載される予定です。
研究者からのコメント
リチウムイオン二次電池を開発するにあたり、電極内の反応分布を、その反応下で観察することは重要です。本研究のリチウムイオン濃度分布を用いた定量法がその一助となり、リチウムイオン二次電池の高性能化に資することが期待されます。
本研究成果のポイント
- 高エネルギーX線を用いて非破壊でリチウムイオン濃度分布を測定した。
- 充放電時の正極および負極のリチウム組成変化を同時に明らかにした。
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リチウムイオン二次電池の高性能化に貢献することが期待される。
概要
リチウムイオン二次電池の特性向上に関する問題として、電極内における反応分布があります。一般的に用いられる合剤電極における反応は、電解液のイオン伝導度や粘度、電極の構成等の内的要因と、電池自体の構造や温度等の外的要因によって大きく影響を受けます。また、電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池は、電極内におけるこの反応分布が複雑化し、電池性能に悪影響を及ぼすという大型電池特有の問題も懸念されています。この問題を解決するためには、電極内のリチウムイオン濃度を、その反応下で定量する手法の開発が重要となります。
本研究グループは、SPring－8のビームラインBL08Wにて高輝度・高エネルギーX線を用いたコンプトン散乱（X線光子と電子の衝突後、光子は電子によって散乱され、電子も弾き飛ばされる散乱現象）法により、市販のリチウムイオン二次電池（VL2020）を充放電させながら、コンプトン散乱X線スペクトルの測定を行いました。得られたコンプトン散乱X線スペクトルに、以前、本研究グループが開発したSパラメータ解析法（コンプトン散乱X線スペクトルのラインシェイプの変化を数値化したパラメータを用いる解析手法）を適用することで、リチウムイオン濃度分布を得ました。
その結果、充電時にセパレータと負極との界面付近にリチウムイオンの偏析を示唆するリチウムイオン濃度の高い領域が存在することを観測しました。さらに、リチウムイオン濃度についての検量線を用いて、動作下におけるバナジウム酸化物正極とリチウムアルミ合金負極のリチウム組成の変化を同時に明らかにすることに成功しました。
本手法の特徴は、高い物質透過能を有する高エネルギーX線を用いた分析手法であるため、非破壊で元素を定量することが可能であることと、リチウムイオン濃度分布を構成する画像のそれぞれの画素がコンプトン散乱X線スペクトルからできているため、リチウムイオンの定量情報を持つことです。
図：（a）測定時の充放電曲線。電池電圧が3.5Vから2.5Vに達する過程が放電過程（黒線と青線）であり、電池電圧が2.5Vから3.5Vに達する過程が充電過程（赤線）。電池の充放電は2.5時間かけて行った。
（b）入射X線に対して電池の高さ方向を変えながら測定したコンプトン散乱X線スペクトルから得られたSパラメータ。Sパラメータの値から、電池の内部構造がわかる。
（c）リチウムイオン濃度分布。分布図の色は、Sパラメータの大きさに対応する。
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】 https://doi.org/10.1107/S1600577517010098
Kosuke Suzuki, Ayahito Suzuki, Taiki Ishikawa, Masayoshi Itou, Hisao Yamashige, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai and Hiroshi Sakurai (2017). In operando quantitation of Li concentration for a commercial Li-ion rechargeable battery using high-energy X-ray Compton scattering. Journal of Synchrotron Radiation, 24, 1006-1011.
