リチウムイオン電池電極からの金属溶出を可視化する技術を開発

二次電池の長寿命化と安全性向上への貢献に期待

2025年2月14日 11:00 |プレスリリース・研究成果

研究者情報

〇多元物質科学研究所　研究員　HELLAR NITHYA
研究室ウェブサイト

発表のポイント

磁気共鳴断層撮影法（MRI）^（注１）を用いて、リチウムイオン電池^（注２）の充放電のその場観察に成功しました。

リチウムイオン電池正極からの遷移金属イオン溶出をMRIで可視化しました。

マンガン酸リチウム（LiMn₂O₄：LMO）正極からのMnイオン（Mn²⁺）溶出の機構を解明しました。

遷移金属イオンの溶出を抑える新規電解液の特性を実証しました。

発表概要

リチウムイオン電池（LIB²）は、スマートフォンや電気自動車（EV）などに幅広く利用されていますが、経年劣化による交換費用や劣化電池の安全性への危惧が大きな社会問題となっています。電池劣化の要因は幾つかありますが、その一つとして電池材料の分解と溶出の可能性が指摘されています。
東北大学多元物質科学研究所のヘラー ニチヤ（Hellar Nithya）学術研究員らのグループは、MRIを用いて、リチウムイオン電池の正極材料であるLMOからマンガンイオンが電解液中に溶出する様子をリアルタイムで可視化する手法を開発し、電池の充放電時にマンガン（Mn）が溶出する電圧や場所や溶出挙動を視覚的かつ定量的に測定することに成功しました。この技術を用いて、ドイツ・ミュンスター大学のミュンスター電気化学エネルギー技術研究所（MEET：Münster Electrochemical Energy Technology）で開発された新しい電解液を分析し、LMO正極からMnイオンの溶出が殆ど起こらないことを実証しました。この技術は、Mn以外の遷移金属やリチウム硫黄電池の硫黄の溶出にも応用できるため、リチウムイオン電池の長寿命化や安全性向上に役立つことが期待されます。
本成果は、2025年2月13日に、材料科学分野の専門誌、Communications Materialsに掲載されました。

図1. リチウムイオン電池の正極からの金属イオン溶解の可視化を示す本研究の模式図

用語解説

注1.磁気共鳴画像（MRI: Magnetic Resonance Imaging）: 磁場と電波を用いて体内などの画像を撮影する装置。または、それを用いる検査。被曝の心配がなく、脳の中や脊椎など、CT が苦手とする部分の断面画像を撮影することができる。撮影時に大きな音がするが、これは、磁場を変化させるためである。「NMR：Nuclear Magnetic Resonance＝核磁気共鳴」という技術を医療に応用したもので、医療応用の際に「Nuclear＝核」という言葉は患者に不安を与えるとして、MRI という名称となった。
注2. リチウムイオン電池（リチウムイオン二次電池）: リチウムイオンの出入りにより電気エネルギーを蓄える二次電池（蓄電池）。携帯電話やパソコンの電池として広く普及し、最近は、次世代電気自動車やプラグインハイブリッド自動車用にも使われ始めている。大きなエネルギーを蓄えられる事が特徴だが、2006 年には発熱・発火事故などが世界的に問題となり、安全性の確保が大きな課題となっている。正極にコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム等を用い、負極にはカーボンが用いられ、その間をリチウムイオン伝導性をもつ有機電解液（エチレンカーボネート・ジメチルカーボネートにフツリン酸リチウムを溶かした溶液など）で満たしている。リチウムイオンが正極と負極の間を行き来して充電・放電を繰り返す。不適切な使い方により、金属リチウムが析出してショートしたり、充電のし過ぎで正極が分解し酸素が発生したりすると発火の危険がある。また、電解液が時間と共に分解して皮膜を形成し電池の特性が低下する事も大きな課題となっている。

論文情報

タイトル：Direct observation of Mn-ion dissolution from LiMn₂O₄ lithium battery cathode to electrolyte
著者： Nithya Hellar*, Yoshiki Iwai, Masato Ohzu, Sebastian Brox, Arunkumar Dorai, Reiji Takekawa, Naoaki Kuwata, Junichi Kawamura*, Martin Winter
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所　学術研究員　ヘラー ニチヤ、
名誉教授　河村純一
掲載誌：Communications Materials
DOI：10.1038/s43246-025-00733-2

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
学術研究員　HELLAR NITHYA（へらー　にちや）
TEL: 022-217-5600
Email: hellar.nithya.e4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
東北大学 多元物質科学研究所
名誉教授　河村　純一（かわむら　じゅんいち）
Email: junichi.kawamura.a8*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）


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