In-situ analysis of thermal decomposition of electrode materials during thermal runaway of lithium-ion batteries

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K04941
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 齋藤 喜康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (10357064)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 弘典 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 総括研究主幹 (30357016) ; 岡田 賢 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80356683)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: リチウムイオン電池 / 熱暴走 / 容量劣化 / 熱測定 / X線回折測定 / コンプトン散乱測定 / 非破壊分析

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに実施した大型放射光施設SPring-8での円筒型リチウムイオン電池のX線回折測定において、負極活物質のリチウム吸蔵黒鉛の構造変化が90℃以上で顕著になることが確認され、その原因となっている反応が電池の高温保存時の容量劣化の主因と推察された。そこで今年度は高温で4週間保存して劣化した電池のX線回折測定を行った。その結果、保存時の温度が高いほどこの反応が進行していることが確認された。また、80℃で保存した試料においては負極活物質だけでなく正極活物質にも構造変化が生じていることがわかった。
更に、同じ電池を試料としてコンプトン散乱測定を行った結果、集電体を挟んで内側の電極層と外側の電極層とで電子構造に差異が見られ、電極層の深さ方向に対して組成分布が生じていることが示唆された。これは保存中の電池内に温度分布が生じていることが原因と考えられる。また、昇温しながらコンプトン散乱測定を行った結果、温度上昇とともに負極側でリチウムが減少し、正極側で増加することが示唆された。そこで高温保存した電池を解体して正極活物質の組成をICP発光分光分析で調べたところ、保存温度が高いほどリチウム量が多くなっていることが確認され、高温では容量劣化が進むだけでなく、自己放電も加速することが明らかとなった。
本課題では、４年間の研究により、リチウムイオン電池を解体することなくそのままの状態で昇温走査しながら高強度で透過性の高い高エネルギー線を用いたX線回折やコンプトン散乱測定を行う技術を確立することが出来た。また、熱測定結果と照合して解析することにより、保存時の劣化や自己放電、そして熱暴走に関連した電極構成材料の結晶構造変化について、反応が生じる温度や反応速度を評価した。これらの成果はリチウムイオン電池の寿命や安全性の予測への展開が期待できる。