分析技術の高度化と
新しい解析手法の
開発を目指す

様々な解析装置による
分析技術で
二次電池の高度化に対応

　リチウムイオン電池の需要が広がってきたことで、大型化や安全性、低コスト化、軽量化、高寿命化など解決しなければならない新たな課題が次々と生まれている。これに対して、短期的には電解液を用いた現行のリチウムイオン電池の性能改良が進められており、それに対する新規材料の開発やそれらの特性発現のメカニズム解析に必要な分析技術の開発が求められている。

　一方、中長期的な視点で見たとき、次世代電池、特に全固体電池用材料の解析のための新しい分析技術の開発も必要になっている。さらに機器分析だけでは計測が困難な現象も多く、固体/固体界面における分子レベルの反応解析から、製品内部での発熱や変形の解析などのためのシミュレーション解析の活用も求められている。

　大塚氏は、この点について「蓄電デバイス事業部は短期的な課題としての現行のリチウムイオン電池の性能向上と、中長期的な課題としての全固体電池を中心とした次世代電池開発という両方の分析支援を、設立当初の予想を上回る量で受注しています。それに加えて、リチウムイオン電池を動作させながら観察する“その場解析”など、私たちでなければできない高度な解析メニューをさらに充実させて、お客様のニーズに応えていきます」と語る。高度かつ難易度の高い課題に対する同社の分析技術への期待の高さがうかがえる。

　では、実際にどのような分析が行われているのか。リチウムイオン電池の代表的な分析手法が、集束イオンビーム装置（FIB）と走査型電子顕微鏡（SEM）を組み合わせた電極の三次元構造解析や、レーザーアブレーションICP質量分析法（LA-ICP-MS）を利用した部材の劣化・故障解析である。FIB-SEMによる電極の三次元構造解析は製造プロセスの最適化や性能低下のメカニズム解析に非常に有効だ。東レリサーチセンターではFIBによる加工で得た三次元観察結果を基に、SEMで画像解析と数値化を進め、定量的な解析を行っている。

　またLA-ICP-MSはリチウムなどの軽元素からニッケルやコバルトなどの遷移金属を高感度に検出可能で、リチウムイオン電池構成部材の劣化や故障診断への活用を進めている。

グローバルでの動きを
つかみながら、
分析技術の
一層の高度化を目指す

　リチウムイオン電池の材料解析は、例えるなら「熱帯雨林のような多様な環境の中で新種の植物を見つけ出す」ように“異物”や“変質”などの問題を見つけて原因を究明するという、まさに宝探しのようなものである。これまでのFIBはビームを絞っているため狭い範囲でしか見ることができなかった。今回、東レリサーチセンターが導入したPFIBは電流量の大きなイオンビームを材料に当てることができるので、従来よりも広い範囲の加工、観察が可能となった。

　「（PFIB導入により）小さな試料をたくさん作製して観察するようなやり方をしなくても、広い範囲を観察して問題のある場所を発見し、必要な定量情報を得ることができるようになりました」（大塚氏）。

　リチウムイオン電池の材料開発や製品改良は、世界各国で急速に進んでいる。東レリサーチセンターでは海外の分析トレンドや機器の需要動向などを見据えながら、リチウムイオン電池材料の研究・技術開発支援に有効な分析技術の開発を進めていく。しかし、解析対象は新規の材料開発から生産トラブル、性能低下の原因解析など様々。必要な分析技術も多岐にわたるため容易な作業ではない。また世界的な規制によるリサイクル義務への対応などニーズの多様化が見込まれ、高度な技術開発が求められる

　そのため、東レリサーチセンターでは幅広い製品ラインアップを持ち、グローバル規模で事業を展開するサーモフィッシャーに大きな期待を寄せている。大塚氏はこの点について「当社では、引き続きリチウムイオン電池材料の研究・技術開発支援に有効な分析技術の開発を進める計画です。そのためサーモフィッシャーには、様々な製品による分析技術を強化や支援、目的に応じた特殊な装置のカスタマイズ、グローバル市場での知見の提供など、私たちが目指す分析の極限追求にご協力いただきたいと考えています」と語った。