全固体リチウムイオン電池の電極内部の変化を可視化―動作中の電位分布変化を高い空間分解能で連続的に観察：物質・材料研究機構
(2020年2月17日発表)
（国）物質・材料研究機構は2月17日、次世代の蓄電池として期待されている全固体リチウムイオン電池において、充放電中に電極内部で生じる電位分布変化を連続的に可視化することに成功したと発表した。電極内の反応を微視的、動的に捉えることができるため、新電池の性能向上への貢献が期待されるという。
一般に電池性能の評価や解析では、充放電試験やサイクリックボルタンメトリーと呼ばれる電気化学測定が行われるが、こうした計測では、電極内部で起きている反応実態の把握は難しい。
研究グループは電池の動作機構の直接観察を目指し、今回、デバイスの内部電位の計測が可能な断面計測手法という新技術に電気化学測定系を組み込み、電池動作中の内部電位の変化を動的に可視化する手法を開発した。
この手法だと、充放電反応やリチウムイオンの動きを制御する内部電位分布を、高い空間分解能で連続的に可視化できる。
太陽誘電（株）から提供された全固体リチウムイオン電池を対象に、この手法で複合正極で進行する充放電反応の様子を観察した。
全固体リチウムイオン電池はリチウムイオン電池の正極‐負極間の電解質に無機固体物質を用いたもので、液状の電解質を用いた現在のリチウムイオン電池に比べ、低温や熱に強い、安全性が高い、急速充電可能などの特徴があり、次世代型と呼ばれている。
今回観察した複合電極は、リチウムイオンの出し入れを担う電極材料と、電子の伝導を担う導電助剤、リチウムイオンの伝導を担う固体電解質を混合した構造の電極を指す。
観察の結果、複合電極で生じる内部電位の変化を直接観察することに成功、充電反応は集電体側から固体電解質側へ不均一に進行するのに対し、放電反応は複合正極全体で均一に進むことが分かった。
この違いは、リチウムイオンの挿入・脱離によって活物質の電子伝導率が変化し、それに伴い、複合正極中の電子伝導網の状態が変化するために生じることも分かった。
開発した手法は、電池性能の劣化原因の詳細な解析など、様々な電池評価技術への応用が可能で、電池の高性能化に向けて、電池設計・構造制御指針を得るのに役立つという。
