百年以上前から経験的に用いられてきた鉛蓄電池添加剤の効果を先端計測で解明〜微量アンチモンが正極構造を安定化する原子レベルの仕組みを可視化〜

2026-01-16 京都大学

京都大学GSユアサの共同研究グループは、鉛蓄電池正極に微量添加されるアンチモンが寿命を延ばす仕組みを、放射光X線を用いた先端計測により原子レベルで解明した。1859年の発明以来用いられてきた鉛蓄電池では、正極活物質の軟化・脱落が寿命低下の要因であり、アンチモン添加の有効性は経験的に知られていたが、機構は不明だった。本研究ではSPring-8での放射光X線回折と極低温EXAFS解析を組み合わせ、充電時にアンチモンが二酸化鉛格子へ固溶し、放電時には硫酸鉛粒子表面へ移動して構造安定化に寄与する可逆的挙動を可視化した。これにより、百年以上未解明だった添加剤効果に科学的根拠を与え、電池寿命延長と環境負荷低減への貢献が期待される。成果はACS Omegaに掲載された。

百年以上前から経験的に用いられてきた鉛蓄電池添加剤の効果を先端計測で解明〜微量アンチモンが正極構造を安定化する原子レベルの仕組みを可視化〜
本研究の概要図:鉛蓄電池正極において、充放電に伴いアンチモンが二酸化鉛格子へ可逆的に取り込まれ、放電時には粒子表面で構造安定化に寄与する様子を、放射光X線を用いたマルチスケール解析で捉えている。

<関連情報>

定量的シンクロトロンXRDと極低温EXAFSにより鉛蓄電池におけるアンチモンイオンの構造的役割が明らかに Quantitative Synchrotron XRD and Cryogenic EXAFS Reveal the Structural Role of Antimony Ions in Lead–Acid Batteries

Yoshiki Hayakawa,Ikumi Ban,Yoshiaki Yamaguchi,Toshiki Watanabe,Toshiyuki Matsunaga,and Yoshiharu Uchimoto
ACS Omega  Published: January 14, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsomega.5c11008

Abstract

The incorporation of trace amounts of Sb2O3 into the positive electrode plate of lead–acid batteries effectively suppresses the softening and shedding of the active material, thereby extending the cycle life. Although this beneficial effect has been recognized for decades, its mechanistic origin has remained elusive owing to the ultratrace concentration of antimony (Sb), which prevents detection by conventional techniques. Here, we combine quantitative multicomponent analysis by synchrotron X-ray diffraction (XRD) with cryogenic (10 K) extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy to directly probe the structural role of Sb ions during charge–discharge cycling. Quantitative XRD analysis reveals that during formation, Sb ions are substitutionally incorporated into Pb sites within the PbO2 lattice. Cryogenic EXAFS measurements further demonstrate that during discharge, as PbO2 converts into PbSO4, a fraction of the Sb ions appear to migrate from the PbO2 lattice toward particle surfaces, where they reinforce interparticle bonding. This reversible incorporation and surface relocation of Sb ions account for the observed stabilization of the active material and suppression of softening and shedding. Our findings highlight how advanced synchrotron-based techniques enable direct mechanistic insight at the atomic scale, providing critical guidance for the rational design of next-generation lead–acid batteries with enhanced performance and reduced environmental impact.

0501セラミックス及び無機化学製品
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