大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年06月25日

2021年6月25日
東北大学多元物質科学研究所
高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】
● 電池の異常発熱の原因となる、酸化物蓄電材料からの「酸素脱離」のメカニズムを解明しました。
● 本研究で得られた知見をもとに、電池の安全性向上に向けた材料設計指針を提案しました。
● 様々な電池材料に適用できる研究成果であり、優れた電池特性とロバスト性を両立する次世代型蓄電池の発展にも貢献するものと期待されます。

【詳細な説明】
　高効率にエネルギーを変換・貯蔵することが可能な蓄電池は、SDGs^注1)の達成およびカーボンニュートラルの実現に向けて重要な技術要素と位置付けられています。その開発項目の一つとして、電池の安全性の向上が挙げられます。特に電池内部でのガス発生や異常発熱は、発火や爆発などの重大な事故に発展するリスクがあり、確実に回避しなければいけない問題です。ガス発生や発熱といった現象は、電池を構成する酸化物正極材料（リチウム-遷移金属複合酸化物）から酸素が抜けて、電解液等と反応することが原因であると考えられています。つまり、酸素脱離現象を深く理解し、これを抑制することは、電池の安全性向上に向けて必要不可欠であると言えます。しかしながらこれまでのところ、酸素脱離がどのように進行し、何が材料中の酸素を不安定化するのかは明らかにされていませんでした。
　当研究グループはリチウムイオン電池に用いられる酸化物正極材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂（NCM111）を対象として、NCM111における酸素脱離現象をクーロン滴定法^注2)（図1-aおよび1-b）により評価し、酸素脱離に伴う結晶構造変化をX線回折測定^注3)により明らかにしました。これにより、1) NCM111は約5 mol%の酸素を格子から失っても還元分解しないこと、2) 酸素脱離が進行するほど、LiとNiが格子位置を交換し元々の層状構造が乱れてランダム化することを見出しました。これは酸素脱離が起こると電池特性が低下することを示唆しており、実際に通常サンプルと酸素脱離サンプルの電池特性を評価したところ、還元処理により充放電容量が低下することが確認できました。

　さらに酸素脱離時の還元挙動を大型放射光施設SPring-8^注4)のBL27SUにおけるX線吸収分光測定^注5)により評価し、酸素脱離メカニズムに迫りました。クーロン滴定とX線吸収分光測定を組み合わせることで、NCM111では酸素脱離の初期段階ではNi³⁺が選択的に還元し、Niの還元が止まるとCo3+が還元し始めること、また5 mol%程度の酸素脱離ではMnは価数変化しないことを明らかにしました。一連の還元挙動の、特に酸素が抜け始める段階に注目すると、Ni³⁺が還元することで酸素が脱離し始めています。つまり、高価数状態のNi³⁺が材料中の酸素を不安定化し、酸素脱離を促進することが推察されます（図2-aおよび2-b）。この仮説の妥当性を検証するため、意図的にNi³⁺量を増加させたNCM111を準備し、その酸素脱離挙動を評価しました。予想通り、Ni³⁺が多い材料では、通常の材料よりも酸素脱離が活発に起こる様子が確認されました（図2-c）。以上の結果に基づいて、遷移金属が高価数状態にあることが酸素の不安定化に繋がるという新しい仮説を提唱しました。

今後の展開
　遷移金属酸化物はリチウムイオン電池だけでなく、様々な次世代型蓄電池（Naイオン電池、Kイオン電池、Mgイオン電池、アニオン電池など）にも使われる材料です。本研究で実施した評価手法は次世代型電池材料にも適用することが可能であり、ここから得られる知見は様々なタイプの次世代型電池の開発に大いに役立つことが期待されます。

　本研究は科学研究費補助金（JP18K05288、JP19H05814）、「物質・デバイス領域共同研究拠点」における「人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス」のCOREラボ共同研究プログラム、および新化学技術推進協会「新化学技術研究奨励賞」の助成を受けて実施されたものです。

【用語説明】