京大ら，電池内部の反応不均一性を可視化

京都大学の研究グループは，立命館大学，産業技術総合研究所，KRIと共同で，リチウムイオン電池内部の反応不均一現象を可視化し，その発生要因を解明した（ニュースリリース）。

リチウムイオン電池においては，合剤電極の作製条件がその特性に大きく影響を与えることが経験的に認識されており，性能をさらに向上させるには，電極内部で発生する現象を直接観測して，特性支配因子を明らかにし，理想的な反応を引き起こす合剤電極の設計を行なう必要がある。

合剤電極において，電子伝導，イオン伝導のバランスにより引き起こされるのが反応の不均一性。不均一な反応により，電極利用率の低下や特定部位の劣化が促進されるため，反応分布の発生状況を把握し，この結果を合剤電極の設計へ反映させることが実用上極めて重要となる。

また，リチウムイオン電池合剤電極中の反応を支配する電子伝導率とイオン伝導率を分離して計測することは，一般的に困難だった。つまり，リチウムイオン電池の合剤電極の設計には，反応不均一現象の直接測定と電子・イオン伝導率分離計測の二つの計測手法を開発し，両者を併せて議論する必要がある。

研究では，組成は同じで，電池性能が異なる合剤電極を対象にした。まず，合剤電極内の断面方向の反応不均一現象を計測するために，二次元イメージングX線吸収分光法を用いた。X線吸収分光法はリチウムイオンの出入りに伴う遷移金属の酸化還元を利用した電極活物質の価数を見積もることが可能で，どの程度充電しているかの指標を与える。

今回は2次元化した検出器を使用することで，合剤電極中の位置ごとの充電状態をマッピングした。また，より広い領域の情報を得るために，大きなビームを作ることが可能な立命館大学にて実験を行なった。その結果，合剤電極中の隙間（空孔率）が大きい電極では反応が均一に進行していたが、空孔率が小さい電極では，電極・電解質の界面から優先的に反応が進行し，内部に大きな不均一性があることが示された。

さらに，合剤電極中の電子・イオン伝導率を分離計測するために6本の端子を用いて計測する測定法を開発し，測定を行なった。この結果，合剤電極中では電子伝導率に比べてイオン伝導率が非常に小さいこと，空孔率が小さい場合はイオン伝導率がさらに小さくなることが明らかになった。以上から，リチウムイオン電池の実用的な合剤電極中では，イオン伝導が律速になっている可能性が極めて高く，反応の不均一性が性能支配因子であることを実証した。

今回得られた情報を基に合剤電極の設計を行なうことで，リチウムイオン電池の更なる性能向上が加速できるという。また，今回適用した二次元イメージングX線吸収分光法と電子・イオン伝導率分離測定法は，合剤電極中で起きている現象を解析するツールとしての幅広い適用が期待される。

反応不均一性と電子・イオン伝導率の要因を組み合わせた基礎的な学理に基づいた合剤電極の設計・開発は，我が国の電池産業が世界トップレベルで有り続けることに貢献できるとしている。