トヨタ、充放電時に電解液中を移動するリチウムイオンの観察手法を確立

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トヨタ自動車は2016年11月24日、リチウムイオン電池の充放電時に電解液中を移動する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。この手法により、リチウムイオン電池性能低下の原因となるリチウムイオンの偏りをリアルタイムで観察できるという。

リチウムイオン電池では、充放電によって電極や電解液中のリチウムイオンの偏りが発生する。この偏りは、電池の使用領域を制限する原因の1つだ。しかし、従来の手法では製品の環境・条件と同一の状態で電解液中のLiイオンの挙動を確認できないため、リチウムイオンの偏りが生じるメカニズムを解明するのは困難だった。
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そこで、トヨタ自動車は上記の課題を解決するために、次の2つの手法を取った。まず、高性能の放射光を生み出す大型放射光施設「SPring-8」の豊田ビームラインにおいて、レントゲン装置の約10億倍の大強度X線を用い、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。

次に、多くのリチウムイオン電池で使用されているリン含有電解液ではなく、今回新たに重元素を含む電解液を使用し、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」に置換した。

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。トヨタ自動車はこれらの手法を用い、重元素の挙動を観察することで、電解液中で重元素と結合しているリチウムイオンが偏る動きの観察を可能とした。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できるという。

同社は今後、正負極やセパレーター、電解液の材料や構造、電池の制御の違いなどによるリチウムイオンの挙動を観察し、電池性能低下のメカニズムを解析することで、搭載車両の航続距離や電池寿命といった電池の性能・耐久性向上に向けた研究開発につなげていくとしている。

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