日本研究人员使锂电内部反应不均现象可视化

锂离子电池的混合物电极的示意图

对组分相同，但孔隙率不同的锂离子电池混合物电极进行二维X射线吸收光谱成像的结果

京都大学2016年5月23日宣布，实现了锂离子电池内部反应不均匀现象的可视化，并查明了该现象发生的原因。该校研究人员发现，电极内部的反应不均匀性取决于离子导电，会对电池性能产生巨大影响。实用性的电池设计包含很多试错（TryandError）的要素，利用此次的成果，有望从更科学的角度设计出高性能的电池。

锂离子电池的充放电是通过电解质提供的离子与外部电路提供的电子之间的反应进行的。有研究推测，在发生反应的混合物电极内，伴随着电子传导、离子传导，还存在大量的电阻成分，电池性能会受到电子电阻与离子电阻之间平衡的影响。由于不均匀的反应会导致电极利用率降低、特定部位的劣化加快，因此，掌握反应分布情况，并将结果反映到混合物电极的设计中，具有非常重要的意义。

这一次，研究人员在检测混合物电极内截面方向的反应不均匀现象时，使用了二维X射线吸收光谱成像法。这种方法利用伴随锂离子进出的过渡金属的氧化还元来估测电极活性物质的离子价，显示充电情况的指标。通过对组分相同但电池性能不同的混合物电极进行比较发现，在缝隙（孔隙率）大的电极发生的反应均匀，而对于孔隙率小的电极，是先从电极和电解质的界面优先发生反应，内部出现了明显的不均匀性。

另外，研究人员还开发出使用6个端子分离测量混合物电极中的电子和离子电导率的检测方法，并实际进行了测量。结果显示，在混合物电极中，与电子电导率相比，离子电导率非常小，如果孔隙率小，离子电导率还会进一步缩小。这些情况说明，在锂离子电池的混合物电极中，离子导电极有可能受到了速率控制，反应的不均匀性是性能支配因素。

因为反应的不均匀性在大型电池中表现得尤为明显，所以，这次的研究成果可以应用于车载锂电池等的设计。二维X射线吸收光谱成像法和电子及离子导电率分离检测法也有望作为混合物电极中发生的现象的分析工具，得到广泛应用。

本次研究由京都大学与立命馆大学、日本产业技术综合研究所（产综研）、KRI公司合作开展。研究成果已于5月19日（日本时间）发布在Natrure旗下的在线科学期刊《ScientificReports》。（特约撰稿人：工藤宗介）