名大ら,リチウムイオンの動きを充放電中に可視化

名古屋大学,パナソニック,ファインセラミックスセンターは共同で,走査型透過電子顕微鏡(STEM)内で全固体リチウムイオン電池を充放電させ,電子エネルギー損失分光法(EELS)と高度画像解析技術(多変量解析)を駆使し,正極材料であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)内におけるリチウム(Li)イオンの分布を同一領域で,かつ,定量的に可視化することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

高性能な全固体電池を設計・開発するためには,電池内部でリチウムイオンがどのように移動しているかを視覚的に把握し,電池の設計にフィードバックさせる必要がある。しかし,電池の反応はナノメートルスケールの局所領域で生じており,また,軽元素であるリチウムは検出感度が低いため,充電/放電中におけるリチウムイオンの動きをナノスケールで視覚的に捉えることは困難だった。

パナソニックの有する電池技術にファインセラミックスセンターが有するオペランド観察技術を応用することにより,任意の充放電状態における電池試料の電子エネルギー損失分光(EELS)スペクトルを取得することが可能となった。スペクトルには,リチウムによる信号が含まれているため,名古屋大学が有する高度画像解析技術(多変量解析技術)を用いることで,微弱なリチウムの信号をナノメートルスケールで明瞭に捉えることに成功した。

この新しいリチウムイメージング技術を用いて,LiCoO2正極/LASGTP固体電解質)/その場形成負極からなる全固体リチウムイオン電池を充放電させながら,LiCoO2正極内部のリチウム分布および遷移元素であるCoの価数分布を観察した。

充放電に従って,リチウムイオンが脱離/挿入している様子を明確に捉えることが可能になり,また,高度画像解析の結果から,LiCoO2正極/LASGTP固体電解質界面近傍にはCo3O4が多数混在していたため,リチウムイオンのスムーズな移動を妨げていることが明らかになった。

今回の観察結果を全固体電池の作製プロセスにフィードバックさせることにより,リチウムイオンの界面抵抗を抑制した電池設計が可能となる。その結果,リチウムイオンがスムーズに移動できる超高性能な全固体電池が実現できるという。

また,今回開発したSTEM-EELS計測と高度画像解析技術を,他の蓄電池(例えば,硫化物固体電解質)を用いた全固体リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池,マグネシウムイオン電池など)にも応用することができ,様々な種類の全固体電池の実用化に大きく貢献できると期待されるとしている。

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