トヨタは、電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド車(PHV)に搭載されているリチウムイオン電池内部で、充放電する際に電解液中で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ました。

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トヨタでは、今回開発された手法を使えば、リチウムイオン電池の性能を低下させる電解液中のリチウムイオンの偏りをリアルタイムで観察することが可能になり、「EV・PHVなどの航続距離や電池寿命を向上させる研究の有効なツールとなる」としています。

リチウムイオン電池は、正極の金属酸化物と負極の炭素材料との間を、リチウムイオンを通過させる樹脂薄膜製のセパレーターで隔離・絶縁した状態で有機電解液中に漬した構造になっています。

リチウムイオン電池の充放電時には、電解液中のリチウムイオンが正極と負極との間を移動することで両極間に電流が流れるようになっているので、電解液中でリチウムイオンに偏りが発生すると電池の性能を低下させてしまいます。

ところが、従来では電解液中のリチウムイオンの動きを観察することができなかったために、電解駅中のリチウムイオンの偏りを防止する研究が進まないという事情がありました。

そこで、リチウムイオンの挙動を観察するために、豊田中央研究所が理研と高輝度光科学研究センター(JASRI)の協力を得て、大型放射光施設「SPring-8」に専用の豊田ビームラインを設置して、通常のレントゲン装置の約10億倍という大強度X線を用いて、リチウムイオンの動きを高解像度かつ高速に計測できる施設を準備しました。

見えない電解液中のリチウムイオンの挙動を観察するために開発した方法は、電解液を重元素を含有したものに変更するという方法。通常のリンを含む電解液から今回の重元素を含む電解液に変更すると、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」が「重元素含有イオン」に置き換わります。

このとき、重元素はリンに比べX線を透過させにくいという性質を持っているため、X線を透過させた撮影画像では「重元素含有イオン」が影の濃淡となって現れることで、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を観察することが可能となります。

この新開発の観察手法を使用して、車載されている製品と同等のラミネートセル型のリチウムイオン電池を実際に使用される環境・条件と同一の状態で、充放電の過程で電解液中のリチウムイオンの偏りが発生するプロセスをリアルタイムで観察することが可能になりました。

トヨタでは今後、正負極やセパレーター、電解液の材料や構造、電池の制御方法を変えてリチウムイオンの挙動を観察し、電池の性能が低下するメカニズムを解析することで、リチウムイオン電池の性能・耐久性向上につなげたいとしています。

(山内 博・画像:トヨタ)

電解液中のリチウムイオンの挙動を観察する手法をトヨタが世界で初めて開発(http://clicccar.com/2016/11/28/420580/)