内本喜晴 人間・環境学研究科教授、折笠有基 同助教（現立命館大学准教授）らの研究グループは、立命館大学、国立研究開発法人産業技術総合研究所、株式会社KRIと共同で、リチウムイオン電池の電極で起こる化学反応がどの程度不均一なのかを可視化し、その発生要因を解明しました。
電極での反応が不均一であるということは、有効活用されていない物質があることを意味し、電池の性能を左右する一因です。電極で何が起きているのか、観測しながらの電池設計を可能にすることで、性能や安定性の向上が期待されます。
研究者からのコメント
携帯電話、ノートパソコンで用いられているリチウムイオン電池は電気自動車用途への展開が期待されており、その性能を劇的に向上させる必要があります。リチウムイオン電池の設計には数多くのテクノロジーが組み込まれている一方で、性能向上のためにはトライ＆エラーの開発要素も多いのが現状です。本研究では、複雑な電池内部の構造を解析する技術を用いて、電池性能の支配因子を明らかにしました。将来のリチウムイオン電池のさらなる性能向上へ役立てられると期待されます。
概要
リチウムイオン電池は携帯電話、スマートフォン、ノートパソコン用の電池として広く普及しています。近年では電気自動車用もしくは電力貯蔵用への展開が加速されており、電池がますます大型化しています。電池性能を左右する要因の一つとして、電池内部の反応不均一現象が関与していることは、多くの研究者が予測していますが、実験的に検証し解析するツールはこれまでほとんどありませんでした。また、不均一性は電池内部の電子伝導率とイオン伝導率の違いによるものと考えられていましたが、これを実際に観察する手段もありませんでした。
本研究では、反応不均一現象を可視化するために、2次元データが取得可能なＸ線吸収分光測定を行いました。また、リチウムイオン電池の電極での、電子伝導率とイオン伝導率の計測手法を確立しました。性能が異なるリチウムイオン電池の電極を用いて、今回確立した手法で解析した結果、電極内部の反応不均一性はイオン伝導によって決定されており、これが性能に大きく影響していることを突き止めました。
今回の成果はリチウムイオン電池の実用的な設計に貢献し、電池性能の向上に資すると考えられます。また、反応の不均一性は大型電池では特に顕著となるため、自動車や電力貯蔵用リチウムイオン電池の設計への貢献が可能となります。今後、容量が多く、高い安全性を有する電池の実現につながると期待されます。
リチウムイオン電池合剤電極の模式図、電子は集電体側、リチウムイオンは電解質側から供給される
詳しい研究内容について
- 日刊工業新聞（6月2日 23面）に掲載されました。
