日産がリチウムイオン電池の電子の動きを直接観測、地球シミュレータも活用：電気自動車

　日産自動車と日産アークは2014年3月13日、リチウムイオン電池の充電／放電時における正極材中の電子の動きを直接観測し定量化できる「世界初」（両社）の分析手法を開発したと発表した。日産自動車は、「この分析手法をリチウムイオン電池材料の研究開発に適用することにより、高容量、長寿命のリチウムイオン電池の開発が可能となり、その結果、電気自動車の将来の走行距離の拡大やさらなる耐久性の向上につなげられる」としている。

　今回発表した分析手法は、日産アークが、東京大学、京都大学、大阪府立大学との共同研究により実現したもの。

　高容量、長寿命のリチウムイオン電池を開発するには、電極活物質にできるだけ多くのリチウムを蓄え、多くの電子を発生させられる材料の設計が必要になる。そのためには、リチウムイオン電池中の電子の動きを把握することが重要になるが、従来の分析手法では直接電子の動きを観察することはできなかった。つまり、マンガン、コバルト、ニッケル、酸素といった電極活物質を構成するどの元素から、どの程度電子が放出されているのかを定量的に識別できていなかったのである。

　今回開発した分析手法では、強度の強いX線の波長を変えて照射し、X線の吸収量が急激に増える波長を測定することで物質の電子状態や局所構造を解析できるX線吸収分光法と、スーパーコンピュータ「地球シミュレータ」による第一原理計算（実験値を使わずに理論的に電子状態を計算する計算手法）を併用した。

　これまでは、X線吸収分光法を用いたリチウムイオン電池の解析は行われていたが、原子の内側の電子軌道に由来する「K吸収端」を利用したものが主流だった。しかし、内側にある電子軌道の電子は原子内に束縛されているので、K吸収端を利用しても、リチウムイオン電池の電気化学反応を観測することはできない。

　今回の分析手法では、より外側の電子軌道に由来する「L吸収端」を利用したX線吸収分光法により、電池反応に関与する電子の流れを直接観測できるようになった。さらに、地球シミュレータを用いた第一原理計算を組み合わせることで、今まで間接的に推定するにとどまっていた電子移動量を高い精度で得られるようになったという。

　日産アークは、この分析手法を、これまでの容量の約1.5倍となる高容量正極材料の有力候補として期待されているリチウム過剰系高容量正極材料に適用。高電位状態で酸素に帰属する電子が充電反応に寄与していること、放電時にはマンガンに帰属する電子が放電反応に寄与していることを明確に捉えた。これらの分析結果により、開発が困難とされている、リチウム過剰系高容量正極材料の実用化を加速できるとしている。