全固体電池の性能を左右する電極活物質表面コーティング層の被覆均一性評価技術を確立

オックスフォード・インストゥルメンツ社の新型検出器を国内初採用

JFEテクノリサーチはこのたび、全固体リチウムイオン電池（以下、全固体電池）の評価サービス強化の一環として、電池性能向上の重要な要素である電極活物質の表面処理層の評価技術を確立し、サービス提供を本格的に開始します。全固体電池の性能向上を促し、早期実用化に貢献してまいります。

背景

全固体電池は、電解質や電極活物質などの構成部材が固体粒子となっている電池です。液体の有機溶媒を電解質に使用している従来のリチウムイオン二次電池と比較して漏液のリスクが低いため安全性が高いとされ、さらに長寿命化や急速充電も可能になるとの期待から、高性能な次世代電池として注目を集めています。電気自動車（EV）の普及や再生可能エネルギーによる効率的な蓄電技術の需要増を背景に、世界中で実用化を目指した研究・開発が加速しています。しかし実用化においては、エネルギー密度など電池としての性能向上と、充放電を繰り返した時にも長期に安定した電池特性を維持する耐久性が課題に挙がっています。

電極活物質や固体電解質など電池構成材料の全てが固体粒子である全固体電池において（図1参照）電池性能を向上させるには、固体粒子同士の接点を十分に確保してイオン伝導性や電気伝導性を確保することが重要です。近年では、正極活物質粒子の表面にコーティング処理を施すと電池性能が向上する技術が知られており、特にニオブ系材料のコーティングに大きな期待が寄せられています。この効果を最大限に引き出すためには、活物質粒子表面に数nm（ナノメートル；1nmは1mmの100万分の1）の膜を均一にコーティングする必要がありますが、これまではこの極薄のコーティング層の性状を定量的に評価することが難しいとされていました。

ほぼ全ての構成材料が固体粒子であるため粒子同士の接点の制御が重要となる

JFEテクノリサーチでは、長年培った微細構造観察技術と最新の画像処理技術を組み合わせ、電極活物質に形成されたコーティング層の均一性などを定量的に評価する技術の確立に成功しました。電池メーカーや材料メーカーがこの評価サービスを活用して表面処理技術をさらに向上し、全固体電池の実用化に寄与する可能性があると期待されています。

開発した活物質表面の被覆均一性評価技術

JFEテクノリサーチは、オックスフォード・インストゥルメンツ社が開発したBEX^※１イメージング検出器「Unity」を国内で初めて導入し、同社の協力を得ながら極薄膜コーティングの被覆均一性の可視化技術を確立しました。この技術を全固体電池活物質表面コーティングの均一性評価に応用したものが当該技術です。Unityは、高感度のエネルギー分散型X線分光法（EDX^※２）で得られる元素情報と、走査電子顕微鏡（SEM）の反射電子像による構造情報とを同時取得したイメージを表示できる特徴を有しており、コーティング材料に含まれる特定の元素から発せられる特性X線を検出して膜厚に換算した情報を、SEMの観察画像の上に重ね合わせることで被覆膜の厚みをマップとして可視化することが可能となりました。本評価で得られた情報を、開発や生産のプロセスにフィードバックすることによって、より均一な表面コーティング技術を確立し、全固体電池の性能向上が期待できます。

• ※１ BEXイメージングは、EDSによる元素情報と、反射電子による構造情報を同時に取得する技術です。EDSの感度と処理速度を大幅に向上することにより、高速でのBSE+X線イメージの収集と表示を可能にしています。
• ※２ EDXあるいはEDS：エネルギー分散型X線分光法（Energy dispersive X-ray spectroscopy）。SEMとの組合せでは、試料に電子線を照射したときに発生する特性X線を半導体検出器で分光し元素分析をおこないます。

評価事例

図2は正極活物質（NMC622^※３）粒子に、当社で代表的なニオブ系コーティング材料（LiNbO₃）を被覆したサンプルの評価例です。膜厚の狙い値を6〜20nmの範囲で4水準に変えながらコーティングを施したものと、コート無しのものにおいて比較をしています。高感度EDXが検出したニオブ（Nb）の特性X線強度をもとに導いたコーティング膜厚の情報を反射電子像に重ね合わせて、観察範囲におけるコーティング膜厚をマップ化しています。図2の写真はいずれも5nm以上の厚みでコーティングが施されている部分を赤く表示していますが、いずれの条件でもコーティングを施した正極活物質には膜厚のムラが存在している（膜厚5nm未満の部分が存在している）こと、図の右下に表示された被覆率の数字からは膜厚狙い値の高いものほど5nm以上の膜厚での被覆率が高くなる傾向が見られたことなどの情報が得られ、数nmのコーティング状態を数値化・可視化した評価ができています。

図2 狙い膜厚の異なるニオブ系コーティング（LiNbO₃）を施した正極活物質（NCM622）の被覆状態評価例

膜厚5nm以上を赤で反射電子像に重ねて示し、算出された被覆率を右下に記載。いずれの条件でコーティングしたサンプルにも5nm未満の部分が存在していて、膜厚のムラが存在していることがわかるなど、コーティングの状態が可視化された情報が得られている。

• ※３ NMC622：ニッケル、マンガン、コバルトの比率が6:2:2の高容量を実現する高Ni正極活物質材料の一種です。LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂で表わされます。

JFEテクノリサーチではこのほかに、電池構成部材の化学的性状や電池セルの性能評価、に加え、全固体電池の試作サービスなど、これまで１５年以上電池分野で培った幅広いソリューションをベースに、自動車メーカーや電池メーカー、材料メーカーからのご要望にワンストップで対応する体制を整え、全固体電池の普及を後押ししていきます。

詳細は下記ホームページをご覧ください。
https://www.jfe-tec.co.jp/battery/solid-state_battery/