森一広 原子炉実験所准教授、福永俊晴 産官学連携本部教授、荒井創 同特定教授、右京良雄 同特定教授、小久見善八 同特任教授、内本喜晴 人間?環境学研究科教授と、東京工業大学、高エネルギー加速器研究機構との共同研究ループは実際に充放電しているリチウムイオン電池の内部で起こる不均一かつ非平衡状態で進行する材料の複雑な構造変化を原子レベルで解析することに成功しました。
本研究成果は2016年6月30日（英国時間）発行の英国科学誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
革新型蓄电池先端科学基础研究事业（搁滨厂滨狈骋プロジェクト）に基づいて、大强度阳子加速器施设（闯-笔础搁颁）に设置された特殊环境中性子回折计（厂笔滨颁础：叠尝09）を用いて、本研究成果が得られました。本研究成果により、リチウムイオン电池のみならず、现在、开発が进んでいる全固体电池やリチウム酸素电池、マグネシウム电池、リチウム硫黄电池、アニオン电池など、次世代の蓄电池の反応挙动を実电池に基づいて解明することが可能になります。また、リチウムイオン电池のさらなる高性能化に寄与できるとともに、次世代蓄电池の开発に大きく贡献すると期待できます。
本研究成果のポイント
- 蓄电池特性を左右するイオンの动きなどのリアルタイム観测手法を开発
- 実用蓄电池の充放电时に现れる电池内部の非平衡状态の反応を世界で初めて直接観测
- 大型蓄电池の反応?劣化挙动の解明に威力
概要
リチウムイオン电池は1991年に小型电子机器用として利用が始まり、优れた安定性に加えて、高いエネルギー密度と出力特性を兼ね备えた电池として発展してきました。现在では电気自动车やハイブリッドの车载用蓄电池や、电力贮蔵用の定置型蓄电池としても利用されるようになってきており、リチウムイオン电池の発売から25年以上経过した现在も社会的なニーズは高く、利用方法の広がりに伴って、さらなる高エネルギー密度と高出力、长寿命、高信頼性が望まれています。
より一层、リチウムイオン电池の特性向上に向けたブレークスルーを引き起こすには、ブラックボックス化した蓄电池内部の充放电时の现象を実际に目に见えるようにするための新たな分析手段が必要です。この电池反応を解明するためのさまざまな解析技术の一つがモデル系电池（分析等の别の目的の达成のために理想的な形状に改造された试験用电池）を用いた分析ですが、既存の分析手法をそのまま适用するこの手法では、电池そのものの形状を分析手法が适用できる环境に合わせる必要があります。
しかし、実际に使用する电池とは异なる形状での解析は、実电池のものと一致しないため、実电池を用いた実际の使用环境下で电池反応が観测できる新たな分析手法の开発が热望されていました。
そこで、本研究グループは中性子线を用いて、非破壊かつリアルタイムに観测し、そのデータを自动解析するシステムを开発しました。この刻一刻と変化する电池反応を観测し、解明できる手法の开発は画期的です。
蓄电池の信頼性や安全性に関する详细な情报が容易に得られるため、リチウムイオン电池のさらなる高性能化だけでなく、全固体电池などの次世代蓄电池开発にも大きく贡献すると期待されます。
図：実用蓄電池オペランド測定用中性子回折計（BL09 : 特殊環境中性子回折計、SPICA）の外観図(A)および、実験の概要図(B)。オペランド測定は、非破壊のまま18650型円筒リチウムイオン電池(C)をSPICAの中心に設置し、電池に電気を流し充放電反応を進行させたまま、パルス中性子を照射し電池反応をリアルタイムに観測する。中性子は金属に覆われた蓄電池内部まで透過し、電極で散乱（回折）され、検出器に到達する。検出器に到達した中性子の時刻と角度をデータ処理すると、観測結果として回折図形が得られる。この回折図形には、18650型円筒電池の拡大図(D)に示すように、正極、負極、集電体、電池のケースからの固有の回折線が含まれる。これらの回折線の変化を解析することでリアルタイムな電池反応に伴うリチウムイオンを含むイオン（原子）の配列や濃度（占有率）の変化を解析できる。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
【碍鲍搁贰狈础滨】
Sou Taminato, Masao Yonemura, Shinya Shiotani, Takashi Kamiyama, Shuki Torii, Miki Nagao, Yoshihisa Ishikawa, Kazuhiro Mori, Toshiharu Fukunaga, Yohei Onodera, Takahiro Naka, Makoto Morishima, Yoshio Ukyo, Dyah Sulistyanintyas Adipranoto, Hajime Arai, Yoshiharu Uchimoto, Zempachi Ogumi, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama & Ryoji Kanno. (2016). Real-time observations of lithium battery reactions—operando neutron diffraction analysis during practical operation. Scientific Reports, 6: 28843.
