薄膜型全固体電池の化学反応の丸ごと可視化に成功東北大など研究グループ

東北大学は2023年8月4日、同大学と名古屋大学、一般財団法人ファインセラミックスセンターなどの研究グループが、X線顕微鏡を使い、充放電中の薄膜型全固体電池内の化学状態変化を丸ごと可視化することに成功したと発表した。薄膜型全固体電池システム全体の反応や劣化メカニズムの解明と、性能向上につながる成果だとしている。

液漏れによる発火の心配がない全固体電池は、高温や高圧下などの環境でも安全に使用できるため、次世代の二次電池として注目されている。しかし、大きな界面抵抗や、繰り返し使うと生じる亀裂など実用化に向けた課題が残っており、電池内の反応や劣化のメカニズムについての観察が進められている。

これまでも電子顕微鏡を用いた局所的な観察が行われているが、電池全体を観察する方法は確立されていなかった。

このため研究グループは、大型放射光施設SPring-8の全視野結像型透過X線顕微鏡（TXM）を用いて、X線吸収微細構造（XAFS）測定を行うと、測定の空間分解能と視野サイズが薄膜型全固体電池の断面スケールと適合することに着目。電池の機能を損なわないよう注意しながら、薄膜電池を18〜20μm幅に切断加工したうえで観測を行ったところ、正極、負極の断面内での化学状態とその分布変化を観察することに初めて成功した。

充電過程で正極のコバルト酸リチウム（LiCoO₂）の層ではLiイオンが固体電解質側へ脱離していき、それにともなってCoが酸化。CoK端XAFSスペクトルのピークが高エネルギー方向へ移動していった。負極の三モリブデン酸二鉄（Fe₂(MoO₄)₃）層では、Liイオンが挿入されていきLi₂Fe₂(MoO₄)₃という相に変わっていった。

研究グループは、電池全体を詳細かつ総合的に観察することで、充放電にともなう化学状態の変化や劣化についての解明が進み、電池性能の向上につながると期待している。

研究成果は2023年8月1日、米化学会の材料科学専門誌「ACS Applied Energy Materials」オンライン版に掲載された。

薄膜型全固体電池の化学反応の丸ごと可視化に成功　東北大など研究グループ