2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on degradation and charging mechanism to develop lithium-ion secondary batteries
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15K04603
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
高田 啓二 関西大学, システム理工学部, 教授 (50416939)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内野 喜一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (10160285)
梶山 博司 徳島文理大学, 理工学部, 教授 (80422434)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ひずみイメージング / リチウムイオン二次電池 / プローブ顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リチウムイオン電池内のリチウムイオンの動きを非破壊高分解能で観察する手法－ひずみイメージング－の研究と、その応用計測とを行った。
これまでは、電極活物質特にグラファイトへのリチウムイオンの吸蔵放出に伴う体積変化をプローブ顕微鏡で検出し、イメージングしてきた。本研究を実施する前までは、リチウムイオンの吸蔵放出に伴う活物質の体積変化しか捉えることができないと考えていた。しかし、体積変化が極めて小さい活物質を塗布した電極の観察では、活物質粒子間の電解液流動を鮮明に示す画像が取得された。さらに観察を続けると、電解液のドライアウト現象の進行を捉えることができた。
リチウムイオン電池のエネルギー密度向上のためには、塗布される活物質層を可能な限り厚くする必要がある。しかし、活物質層が厚くなると電解液の浸透が難しくなる。また、充放電に伴うリチウムイオン濃度変化を緩和するためには、層内での電解液の流動が必要である。従って活物質層の厚さは制限される。このため活物質粒子の層内の分散が重要な技術課題である。
本研究成果は分散技術の結果を検証し、その検証結果を参考にさらなる技術改良を行うために不可欠な評価方法を提供した。
新たな電池として全固体電池が注目されている。全固体電池の最重要課題は、界面および粒子間のイオン伝導である。我々は、イオンの吸蔵放出に伴うバンド構造変化を２通りの方法で捉えることにより、活物質‐固体電解質界面でのイオン伝導の分布を画像化した。ひとつは、リチウム組成に依り透明と黒色とに変化するチタン酸リチウムを光学顕微鏡により観察する手法、もう一つは、エネルギーギャップ変化を光誘起歪としてプローブ顕微鏡で捉える手法である。
前者は手軽であるが、光学顕微鏡の分解能に制限される。一方、後者はプローブ顕微鏡の高い分解能により固体電解質1粒子以下の分解能でイオン伝導の分布を捉えることができた。
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