大型放射光施設 SPring-8

公開日

2023年08月04日

2023年8月4日
国立大学法人東北大学
国立大学法人東海国立大学機構 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
公益財団法人高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】
⚫︎ 全視野結像型透過X線顕微鏡−X線吸収微細構造計測により、作動中の薄膜型全固体電池の非破壊かつ高分解・広視野を両立した観察を実現しました。
⚫︎ 充放電中の正極・負極層内の化学状態変化を同視野内で“丸ごと”可視化に成功しました。
⚫︎ 薄膜型全固体電池システム全体の反応・劣化メカニズムの理解による性能向上が期待されます。

研究の背景
　全固体電池は、固体電解質を使用するため液漏れによる発火の心配がなく、高温・高圧下などの極限環境で使用でき、目的に応じて比較的自由に形状を構成可能なことから、次世代の二次電池として注目されています。しかし、充放電サイクルの繰り返しによる電極のクラックや不活性層の発生、電極−固体電解質界面での大きな界面抵抗など、実用化までに解決すべき課題を依然として抱えています。全固体電池には大きく分けてバルク型と薄膜型の2種類のタイプがあります。薄膜型は電極と電解質の材料を蒸着等によって基板上にきれいに積層して製造できます。そのため大容量化は難しいですが、サイクル寿命が優れ、センサーなどの小型デバイスでの使用が想定されています。さらに均一な積層構造を持つことから電極、電解質、とその界面で起こる現象のメカニズムを理解するためのモデル試料として使用されています。
　そこで近年、全固体電池実用化を阻む課題を解決するために、薄膜型電池試料を用いて、顕微鏡と分光法を組み合わせた顕微分光法による研究アプローチが進められています。例えば、走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いた電子エネルギー損失分光法（EELS）では、電極−固体電解質界面付近のナノメートル（nm）オーダーの元素や化学状態の分析が可能になっています。
　しかしSTEM 観察では、試料を電子線が透過する厚さ100 nm 以下まで薄くする必要があります。また空間分解能と観察視野の広さとの間にはトレードオフの関係があり、STEM−EELS 研究では、試料のある局所領域しか一度に分析できません。1回のSTEM-EELS観察で数十マイクロメーター（μm; nmの1,000倍）の薄膜全固体電池試料断面全体の反応変化を詳細でかつ総合的に可視化することは困難で、これまでその様な報告例はありませんでした。しかし、今回の放射光を用いた顕微分光イメージング法では、比較的高い空間分解能を維持しながら、各構成要素を個別に分析できるだけでなく、厚い電池試料全体を同時に観察しながら各元素の反応・劣化挙動を分析することが可能なため、STEM−EELSでの課題を解決できます。

今回の取り組み
　本研究では、SPring-8の分光分析ビームラインBL37XUに設置されている、全視野結像型透過X線顕微鏡（TXM）システムを用いて、分光計測であるX線吸収微細構造（XAFS）法と連動させたTXM−XAFS測定を薄膜型全固体電池試料に適用しました。今回、試料の薄膜型全固体電池には、Li_1+x+yAl_xTi_2-xSi_yP_3-yO₁₂（LATP）という固体電解質のシート（50 μm厚）上に、コバルト酸リチウム（LiCoO₂、以下LCO）を正極層（1.41 μm厚）、三モリブデン酸二鉄（Fe₂(MoO₄)₃、以下FMO）を負極層（1.15 μm厚）として積層させたものを用いました。本研究では薄膜電池試料の断面から、正極・固体電解質・負極の積層構造を観察するのですが、薄膜電池そのままでは、透過力の高い硬X線を使用するとはいえ、断面方向の光路長が長すぎますので、集光イオンビーム加工装置（FIB）を用いて、事前に薄膜電池の観察領域を電池の機能を損なわないよう注意深く18〜20 μm幅に切断加工しました。この18〜20 μm幅が断面方向から観察したときそのままX線の光路長となります（図1左）。この加工した試料を、SPring-8 BL37XUに持ち込み、試料をポテンショ･ガルバノスタットと接続した上で、充放電状態を段階的に可変しながら、TXM−XAFSのオペランド計測をCo K吸収端及（7.7 keV付近）及びFe K吸収端（7.1 keV付近）で行いました。TXM−XAFS計測では直径60 μm 程度の視野サイズを同時に〜100 nmの空間分解能で観察することが可能で、今回の場合、薄膜電池試料の厚さのスケールとマッチしており正極・負極の構造を同一視野で観察可能ということになります（図1右）。

　更に、試料吸収像の各ピクセルから、空間分解Co K端XAFS及びFe K端XAFSスペクトルを抽出することができ、充放電の状態（state-of-charge; SOC）を変えながら、それぞれ充放電中での正極、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成功しました。充電過程において、正極LCO層ではLiイオンが固体電解質側へ脱離していき、それに伴ってCoが酸化し、Co K端XAFSスペクトルのピークが高エネルギー方向に移動していきます。負極FMO層では、Liイオンが挿入されていきLi₂Fe₂(MoO₄)₃ という相（以下、LFMO）に変わっていきます。ただ、今回の結果は正極LCO相では、SOCに応じてLATPとの界面からの距離に対してほぼ均一にCo酸化が進行する一方、負極FMOはLFMO相がLATPとの界面から200 nmのところで優先的に変化していく様子が見られます。放電過程でも、正極LCO相の断面内変化は均一に進む一方、負極層ではLATP界面から近い方から優先的にLiイオンが抜ける様子を捉えることに成功しました。この結果は、とくに負極と固体電解質との界面にLiイオン移動を阻害する要因があることを示唆しています。

今後の展開
　オペランドTXM-XAFS法が、薄膜型全固体電池を“丸ごと”観察可能で、電池性能や劣化現象を理解するための強力な可視化ツールであることを示すことができました。この計測法は、コンピュータ断層撮影（CT）法と組み合わせることで、反応や劣化の分布を3次元的に調べることが可能になります。また、X線タイコグラフィといったより高空間分解能の領域をカバーしたX線顕微鏡技術と組み合わせることで、広い視野の大局的観察とより詳細な観察を併せたマルチスケール顕微イメージングが可能になります。2024年運用開始予定の次世代放射光施設NanoTerasuでも、このような先端的な多次元・マルチスケールの計測が可能となります。リチウムイオン蓄電池系以外にも触媒反応系や燃料電池セルなど、実は詳しく分かっていないデバイス内部の反応分布や傾向をより深く理解することができるようになっていき、材料やセル設計の最適化や性能向上に繋がることが期待されています。

【謝辞】
　本研究は日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（課題番号 JP19H05813, JP19H05814, JP20K15375, JP22K05296, JP22J21779）の支援を受けたものです。

【用語解説】