＜ 概要 ＞
財団法人ファインセラミックスセンター（JFCC）は、中部電力株式会社、静岡大学、京都大学と共同で、次世代のLi電池として期待されている全固体型Li電池内部のイオンの動きを、電子線ホログラフィー顕微鏡で可視化することに世界で初めて成功しました。
Liイオン電池は、現在、パーソナルコンピュータや携帯電話などの電源として使われており、近い将来、電気自動車などに応用されつつあります。しかし、安全性、信頼性および耐久性などで開発の余地が残されております。こうした課題の解決に向けて、Liイオン電池の反応、具体的には電池内部のLiイオンの動きや分布などを解明することが望まれていますが、これまでの技術ではLiイオンの動きを視覚的に捉えることができませんでした。今回開発したLiイオンの動きをナノメートル領域で可視化する技術は、Liイオン電池の高信頼性、高エネルギー密度化、あるいは長寿命化など、次世代電池の開発促進につながる非常に革新的な技術です。
＜ 研究内容 ＞
Liイオンの動きや分布を把握するには、ナノメートル領域での観察技術が必要とされます。まず、次ページの模式図（図（a））に示すような超小型全固体Liイオン電池（厚さ約90μm）を作製し、電子線で電池内部（正極−固体電解質界面付近）を観察できるように薄くしました（図（c）は電池内部の透過型電子顕微鏡写真）。このサンプルを透過型電子顕微鏡内で充放電させ（図（b）はその充放電特性）、電子線ホログラフィーを用いて正極と固体電解質の界面に分布するLiイオンの電場をその場観察しました（図（d））。正極−負極間に印加する電圧を大きくするにつれて、正極−固体電解質界面付近にかかる電位が高くなっていることがわかります（図（d）で、色が明るい程電位が高いことを示しています。）これは、電池の内部抵抗が、界面近傍約２μmの領域に集中していることを意味しています。また、界面付近に形成される電気二重層がミクロンオーダーで広がっているという新事実が明らかとなり、それがイオンの動きを妨げ、電池反応のスピードを低下させていると考えられます。
以上のように、これまで通常の透過型電子顕微鏡で観察できなかった電池内部の電位分布を電子線ホログラフィーで可視化する技術が確立され、電池反応のメカニズムや電池の劣化機構の原因を直接明らかにすることにより次世代Li電池の開発に弾みがつくことが期待できます。 |
