日産自動車と日産アークは3月13日、リチウムイオンバッテリーの充電、放電時の正極材中の電子における動きを直接観測し定量化できる世界初の分析手法を開発したと発表した。
高容量、長寿命のリチウムイオンバッテリーを開発するには、電極活物質にできるだけ多くのリチウムを蓄え、多くの電子を発生できる材料の設計が必要となる。そのためには、バッテリー中の電子の動きを把握することが重要となるが、今までの分析手法では、直接電子の動きを観察できなかったため、マンガン（Mn）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、酸素（O）など、電極活物質の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することができなかった。
今回開発した分析手法は、L吸収端を用いるX線吸収分光法とスーパーコンピューター「地球シミュレータ」を用いる第一原理計算を併用した全く新しい方法。これまでもX線吸収分光法を用いたバッテリーの解析は行われていたが、K吸収端を利用したものが主流だったため電池反応に直接関与する電子ではなく、原子内に束縛された電子しか観測できなかった。
今回の分析手法では、L吸収端を利用したX吸収分光法を用いることで、電池反応に関与する電子の流れを直接観測することを実現。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ることが可能となった。
今回の開発は、長年の課題である、充放電時に流れる電流の起源を明らかにしながら、定量的に把握する、という手法を世界で初めて可能とした。これによって電池内部で起こっている現象、特に正極材に含まれる活物質の挙動を正確に把握することができ、より高性能、長寿命を可能とする電極材料の設計が可能となる。
日産アークは、この手法を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し分析。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、また、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とらえた。これらの分析結果は、同正極材料の実用化、および、さらなる高容量、長寿命のバッテリー開発に向けた大きな一歩となる。
