蓄電池は長年にわたって、社会インフラを支えてきた。自動車用の始動電源や通信設備の非常用電源として使われる鉛蓄電池は、いわば産業の黒子として大きな役割を果たしてきた。ただ、その多くはバックアップ用途や補完的な用途であった。一方、近年利用が広がっている高性能リチウムイオン電池は、従来の蓄電池の役割を超え、幅広い用途で高い性能と信頼性が求められている。

　「リチウムイオン電池はEVや再生可能エネルギー、データセンターや分散型エネルギーシステムなど様々な用途で使われています。モビリティ、エネルギー、デジタル社会の成り立ちそのものに深く関わる基盤技術として、リチウムイオン電池にはより高い安全性や信頼性、エネルギー密度、持続可能性を実現する技術革新が求められています」とパナソニック エナジーの南野哲郎氏は語る。

パナソニック エナジー株式会社
競争力革新統括室 室長
なんの・てつお
南野 哲郎 氏

　蓄電池の研究開発ではスピードが重要である一方で、社会インフラを支える存在として、品質や安全性に妥協は許されない。その両立に向け、パナソニック エナジーでは材料・セル設計の研究だけでなく、量産を見据えたプロセス技術、品質・信頼性評価、シミュレーションやデータ活用、そして人材育成を含む開発基盤にも大きな投資を行っている。

　次世代電池といっても、基本となる物理・化学現象が大きく変わるわけではない。一方、性能と安全性、寿命に求められる水準は一段と高まっており、これまで見過ごされていたわずかな差異まで正確に捉える分析技術が非常に重要になる。

　例えば、エネルギー密度や長期作動性の要求水準が高まる中で、微量の不純物や界面反応のわずかな違いが製品の性能や信頼性に影響を及ぼすことがある。また、電池の生産量が急速に拡大する中で、原材料や中間材料を高精度かつ効率的に評価する技術も必要になる。さらにシリコン系負極やリチウムメタル負極などの新しい材料系が導入されると、従来の知見や分析手法だけでは十分に評価しきれないこともある。

　蓄電池の高容量化・高安全性・長寿命化の実現には、多種類の材料に対する多面的な物理・化学的性質の理解が不可欠だ。電池は、多様な材料が組み合わさり、材料から電極、セルまで複数の階層でさまざまな現象が同時に起こる、多材料・多階層・多現象の複雑系である。こうした複雑系では、微量成分や界面の局所的な不均一性が性能や安全性を左右するため、試料全体の平均的な情報だけでなく、微量成分や界面などの局所情報を捉える必要がある。

　「材料開発で重要なのは、微量成分や界面などの分析や、複合的な材料が組み合わさった時の現象を特定することです。そのためには、平均的な情報ではなく、局所的な情報を分析することが必要になっています」とパナソニック エナジーの團上亮平氏は話す。

　南野氏も「こうした中で、分析技術は品質保証のためだけのツールではなく、新しい技術を理解し、社会実装するための基盤技術だと考えています」と話す。

　研究開発の現場で一番難しいのは、現象と原因を結び付けることだ。例えば、電池の性能が低下した場合、その原因が材料そのものにあるのか、製造条件にあるのか、あるいは微量成分の偏在や異物混入に起因するのかを見極めなければならない。

　「膨大な分析サンプルを評価することは時間と労力があれば可能です。しかし、本当に難しいのは、その中から何が性能を決めているのかを正しく見極めることです。いわば『見えない現象を見える化』することですが、これに加えて開発スピードを速めることが求められています」とパナソニック エナジーの信田拓哉氏は説明する。

パナソニック エナジー株式会社
競争力革新統括室 技術戦略室
エナジー解析部 担当部長 兼 分析課 課長
のぶた・たくや
信田 拓哉 氏

　分析には、性能改善につながる示唆を得ることと開発スピードを高めることの両立が求められる。そのために重要になるのが、ごく微量な成分を捉えるための高い感度、局所的な成分情報を取得するための高い空間分解能、そして多くの試料を効率よく評価するための高いスループットの3つだ。

　「どのような手法を使い、どのような結果を出すにしても、分析データは開発が進むべき方向を指し示すために使われるべきです。その意味で、分析技術は電池の性能を測る技術から電池の未来を創り出す技術に進化していく必要があります」（信田氏）。

　材料開発において、微量成分や異物を検知するニーズは大きい。しかし、従来材料分析に用いられてきた誘導結合プラズマ分析法（ICP）は、材料全体の平均的な組成を把握することはできても、微量な不純物の検出や詳細な成分分布までは分からなかった。

　パナソニック エナジーは今回、固体試料の表面をレーザーで少しずつ削るレーザーアブレーション装置と、イオンの質量の違いを利用して元素を高感度に分析するサーモフィッシャーサイエンティフィックの誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）を組み合わせたレーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析システム（LA-ICP-MS）を導入した。LA-ICP-MS は、試料を溶液化せず、固体のまま特定の場所を削って分析することで、微量元素が試料内のどこに、どのように分布しているかを把握することができる。特に、同社が大きな魅力を感じたのが元素分布の可視化で、異物混入などによる製品不良の原因解析への適用も期待されている。また、ICP分析で一般に用いられる溶液導入法は、固体試料を分析する際に酸による分解・溶液化といった前処理が必要になる。それに対して、LA-ICP-MSではレーザーで固体試料を直接アブレーションして分析できるため、酸を用いた試料の溶液化を省くことができる。試薬の使用量や廃液を削減できる点もメリットの一つだ。

レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量
分析システム（LA-ICP-MS）
レーザーアブレーション装置とサーモフィッシャーサイエンティフィックの
誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）を組み合わせている

　「これから、LA-ICP-MSを3つの用途で使おうと考えています。1つ目がニッケルやコバルトなどの元素の分布把握、2つ目が異物解析で、製造工程で発生した異物や製品の不具合の調査です。そして3つ目が劣化解析で、電池内の細かな現象の把握です。これによって、電池内部で起こっていることを逐一評価できるのではないかと期待しています」（團上氏）。

　また、電池製造は上流の材料受入から下流のセル化まで長い工程があるが、従来のICP分析は上流で使われることが多かった。LA-ICP-MSを使えば異物や微量の汚染物質の電池特性への影響という下流に近い部分の評価ができるようになり、製造工程の入り口から出口まで幅広く活用できるようになる。