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トヨタ 世界初!リチウムイオンの中身が見える化に成功 バッテリーの性能向上に期待

2016年11月29日

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放電時における電解液中のリチウムイオンの偏り

2016年11月24日、トヨタは、リチウムイオン電池が充放電する時の電解液中のリチウムイオンの挙動を観察する手法を世界で初めて開発したと発表した。

従来、リチウムイオン電池の充放電時のイオンの動き、充放電状態を直接的に知ることはできなかったが、今回開発した手法により、リチウムイオン電池の性能低下の原因の一つであるイオンの偏りをリアルタイムで観察することができるようになった。その結果、プラグインハイブリッド車(PHV)や電気自動車(EV)の航続距離や電池寿命といった電池の性能・耐久性向上に不可欠な研究・開発の加速につながる。

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リチウムイオン電池は、正極に金属酸化物を、負極にカーボン材料を使用し、有機電解液を用いた電池である。充電時は正極から負極へ、放電時は負極から正極へ、リチウムイオンが電解液中を移動することで電流が流れるため、充放電において電解液中のリチウムイオンそのものと、その動きは重要な役割を持っている。

これまでに充放電時に、電極や電解液中のリチウムイオンの偏りが発生することは明らかになっており、その偏りが電池の使用領域を制限、すなわち電池の持つ性能を最大限引き出せる領域が減少する原因の一つとされてきた。しかし、リチウムイオンの偏りが生じるメカニズムを解明するにあたり、これまでの手法では製品の環境・条件と同一の状態で電解液中のリチウムイオンの挙動が確認できないという課題があったわけだ。

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この課題を解決するために、今回開発された手法とは?
レントゲン装置の約10億倍の大強度X線を用いて、0.65ミクロン/ピクセルの高解像度かつ100ミリ秒/コマの高速計測を可能としたのだ。それは、豊田中央研究所が、世界最高性能の放射光を生み出すJASARIが運営する大型放射光施設「SPring-8」と理研の協力を得て、専用ビームラインとして設置した豊田ビームラインを使用することで可能としている。

また多くのリチウムイオン電池で使用されているリンを含む電解液ではなく、今回新たに重元素を含む電解液を使用することで、リチウムイオンが電解液中を移動する際に結合する「リン含有イオン」を「重元素含有イオン」に置換している。

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この重元素はリンに比べX線を透過させにくいという性質があり、X線透過後の撮影画像における影の濃淡が強くなる。このようにして重元素の挙動を観察することにより、電解液中で重元素と結合しているLiイオンが偏る動きの観察を可能としたのだ。

このような手法を用いて、製品同等の電池(ラミネートセル)を使用し、実際に使用される環境・条件と同一の状態で、充放電の経過とともに電解液中のリチウムイオンの偏りが生じるプロセスをリアルタイムで観察することができるようになったわけだ。

今回の観察手法は、豊田中央研究所、日本自動車部品総合研究所、北海道大学、東北大学、京都大学、立命館大学と共同で開発した。

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