X線CT法を用いた全固体リチウムイオン電池の圧力依存性解析 ～車載用全固体電池実用化に向けた取り組み～ No.050

背景
　持続可能な社会の実現に向けた環境への貢献のため、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車、燃料電池自動車といった次世代自動車の研究開発が進められています。これら次世代自動車の普及のためには、内燃機関、電池、材料、モータ・パワーエレクトロニクス、自動運転、生産技術における技術革新が求められています。現在、特に動力源となる車載用蓄電池として、リチウムイオン電池（LIB）が注目されています。近年は、従来の液体電解質を固体電解質に置き換えた全固体LIBへの期待が高まっています。全固体LIBは、液体電解質を用いた液系LIBに比べて安全性が高く、航続距離の拡大、充電時間の短縮が可能になると期待されています。全固体・液系両LIBに一般的に用いられる合剤電極における反応は、電解質のイオン伝導度や粘度、電極の構成等の内的要因と、電池自体の構造や温度等の外的要因によって大きく影響を受けることが懸念されていますが、これまで内部を可視化することができませんでした。

成果の詳細
　そこで、透過能が高い高輝度のSPring-8による高エネルギーX線コンピューター断層撮影法（X線CT法）を用いて、全固体LIBの合剤電極内部の観察を行いました。専用のin-situセルを作製し、圧力を変化させながら電気化学特性測定とX線CT測定を行いました。得られたCT像から、合剤電極および固体電解質層中の空隙率、活物質/固体電解質界面の接触率などの圧力依存性を定量解析しました。その結果、圧力の増加に応じて合剤電極および固体電解質層内の空隙率は減少し、活物質/固体電解質接触率は増加しました。合剤電極層と固体電解質層で空隙率の減少挙動が異なっていることから、活物質の存在が合剤電極内の空隙率減少を妨げている要因の1つであることが分かりました。また、電気化学特性結果からは、イオン導電率の向上と電荷移動抵抗の減少が確認されました。以上の結果、電気化学特性の向上は、内部構造の変化により導電率が向上することによって引き起こされていると定量的に理解することができました。