充放電による蓄電池電極劣化の経時的進行を３次元でとらえる新技術を開発～全固体電池を始めとした次世代型蓄電池の長寿命化に貢献～

2023-07-19

2023-07-19 東北大学

多元物質科学研究所　助教　木村勇太
多元物質科学研究所　教授　雨澤浩史

【発表のポイント】

蓄電池の電極は極めて複雑な微細構造を有しており、その中で生じる劣化も空間的・時間的に不均一なため、その挙動を正確に計測することは極めて困難でした。
本研究では、放射光^（注1）を利用した最先端の化学イメージング技術を駆使し、充放電による蓄電池電極劣化の経時的進行を3次元でとらえる新技術を開発しました。
本技術は、劣化が、電極内のどこで、いつ、どのように起こるかを詳細に理解することを可能にするため、全固体電池など次世代型蓄電池の長寿命化に貢献することが期待されます。

【概要】
スマートフォンなどの携帯電子機器の充放電を繰り返すと、次第に電池残量の減りが速くなります。この大きな原因の一つとして、これらの機器に搭載されている蓄電池の蓄電容量などの性能が、繰り返し充放電に伴い、次第に劣化していくことが挙げられます。このような性能劣化のメカニズムを理解することは、リチウムイオン電池や、全固体電池をはじめとする次世代型蓄電池の長寿命化を実現する上で重要な課題となっています。

東北大学を中心とする共同研究グループは、コンピュータ断層撮影―X線吸収微細構造法(CT-XAFS法) ^（注2）を用いて、充放電サイクル中の蓄電池電極内の容量劣化(活物質のLi量の変化)の3次元的な空間分布およびその時間進展を非破壊かつ定量的に追跡できる手法を開発しました。これにより、蓄電池の劣化に関する5次元の情報(3次元空間分布+時間発展+化学情報)を解析することが初めて可能となり、劣化がいつ、どこで、どのように起こるのかをより詳細に理解できるようになりました。本手法は、全固体電池などの蓄電池の長寿命化への貢献が期待されます。

本成果は、2023年7月14日（ドイツ時間）に、マイクロからナノメートルスケールの解析技術専門誌Small Methods誌に掲載されました。

本研究は東北大学多元物質科学研究所の木村勇太助教、石黒志助教、中村崇司准教授、雨澤浩史教授、大学院工学研究科機械機能創成専攻の黄溯大学院生、高輝度光科学研究センターの関澤央輝主幹研究員、新田清文研究員、宇留賀朋哉任期制専任研究員、産業技術総合研究所の奥村豊旗主任研究員、竹内友成上級主任研究員、名古屋大学の唯美津木教授（理化学研究所放射光科学研究センター客員研究員）、京都大学の内本喜晴教授らの共同研究グループにより行われました。

図1. 測定対象とした全固体電池の模式図(左上)とその充放電曲線(右上)、CT-XAFS法により可視化した、充放電サイクル時の充電・放電後における3次元充電量マップ(下)。図中の赤い/青い領域はそれぞれ、充電量が高い/低い領域を表す。充放電曲線では読み取れなかった劣化の空間分布およびその経時的進行を、3次元的に可視化することが可能となった。

【用語解説】
注1. 放射光：電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波。

注2. CT-XAFS法：X線が物質を透過する性質を利用して、対象物を破壊することなくその内部を3次元的に可視化する技術であるX線コンピュータ断層撮影(CT)法と、X線のエネルギーを変えながら吸収量を計測することでX線吸収スペクトルを得て、それを元に対象物の化学状態を分析する技術であるX線吸収微細構造(XAFS)法を融合した最先端の化学イメージング技術。この手法を用いることで、3次元物体の内部の任意の領域におけるX線吸収スペクトルを得ることができ、それを元に対象物内部の化学状態の分布を3次元的に分析できる。

詳細（プレスリリース本文）