【研究開発の背景と目的】
近年、リチウムイオン電池は、パソコンなどの電子機器のみでなく、電気自動車、家庭用蓄電池などへの利用が急速に進んでいます。現在一層の高性能化をめざし、蓄積エネルギー密度、出力、寿命の向上、安全性の高度化などが期待されています。
リチウムイオン電池は、正極、負極、電解質（イオン伝導材料）から構成され、外部回路に電流を流してリチウムイオンを正極と負極間で移動させて充電あるいは放電する二次電池（充電池）です（図1）。リチウムイオン電池の性能は、正極活物質9)及び負極活物質9)の材料・組成・形状、電解質、使用法などに大きく依存しますが、特に革新的な正負極活物質及び電解質の開発が、電池の性能向上に重要と考えられています。
リチウムイオン電池の性能はリチウムの「動き易さ」に依存し、「動き易さ」は充放電におけるリチウム分布の計測により知ることができます。電極材料の開発には、電池内部のリチウム分布を可視化することが望まれていますが、密閉状態にある厚さ数10µmの電極内でのリチウム分布を直接観察することはこれまで困難でした。
電極材料の解析には、例えば、大型放射光施設「SPring-8」10)や大強度陽子加速器施設「J-PARC」11)などが利用されています。Ｘ線分光計測ではリチウム原子と近接原子との結合状態、中性子回折では原子配列など、ナノスケールでのリチウムイオンの機能や構造を測定することができます。しかし、電池の動作状態を把握するために必要なマイクロメートル〜ミリメートルスケールでのリチウムの空間分布を測定することが困難なため、新しい計測法の開発が望まれています。今回我々は、イオンマイクロビーム材料分析法をリチウムイオン電池に適用し、マイクロメートルスケールの分解能で、リチウムイオンの分布を測定する方法を開発しました。
イオンビームを用いるPIGE元素分析法では、イオンビームとリチウム原子核との相互作用において放出されるガンマ線の分布を計測することで、リチウムの分布を直接画像化できます。具体的には、イオンマイクロビームを、リチウムイオン電池電極の平面または断面上を、数十分間かけてスキャンします。これにより、直接観察が困難だった電極内でのリチウムの分布を、ほぼリアルタイムで観察できます。PIGE元素分析によるリチウムイオン電池の観測は2001年に報告されていますが、分解能が約50マイクロメートと電池の動作状態を把握するには不十分であったため、原理実証に終わっていました。
今回、高エネルギー陽子線を1マイクロメートルに集束できる世界的にも最高性能の原子力機構高崎量子応用研究所のイオン照射施設TIARAのイオンマイクロビーム装置を用い、高い分解能を得るのに適した構造のリチウムイオン電池電極を作製し、PIGE元素分析により、リチウムイオン電池電極内のリチウムの空間分布を約1µmの高い分解能で計測することに、世界で初めて成功しました。
さらに、電極の厚さや充電速度などのパラメータを変えた試料に対し測定を系統的に行い、リチウムの分布がこれらのパラメータで大きく変化することを初めて実証しました。これらの依存性は、定性的には予測されていましたが、定量的な測定が可能になったことで、他の計測法やシミュレーションの結果とも比較しつつ、電極活性物質、電解質、電池使用方法などのパラメータを、最適化することができます。したがって本計測法の開発により、リチウムイオン電池性能向上の研究が促進されると期待されます。
