研究トピックス

電池電極内部のミクロな電子伝導分布の可視化

リチウムイオン電池の電極は、活物質、導電助剤、バインダーなどからなる複雑な構造を持ちます。そのため、電池特性はこれらの混ざり方に強く影響を受けます。例えば、導電助剤との電気的接続が悪いと、高性能な活物質材料であっても電池として高い性能を引き出すことができません。電池技術研究部門では、走査型広がり抵抗顕微鏡（SSRM）という特殊な測定法により、電極断面試料の導電性をサブミクロンレベルの空間分解能で可視化することが可能です。図１の測定例では、活物質であるLiCoO₂の電気抵抗がカーボンの電導パスとの接続状態により異なる様子が明瞭に観察されています。

図１　リチウムイオン電池合材電極の形状像（左図）と同じ場所のSSRM像（右図）

SSRMは、走査型プローブ顕微鏡の一種で、導電性探針を用いて試料表面の電気抵抗分布を測定する手法です。最近では、Liイオン電池への応用が注目されています。

図２　走査型広がり抵抗顕微鏡（SSRM）の原理

電池技術研究部門では、環境制御型原子間力顕微鏡を用いて大気非暴露で電極試料のSSRM測定を行っています。さらに、試料ホルダの共通化や大気非暴露搬送などによりSSRMとオージェ電子分光（AES）とを連携した運用を行っています。AESは表面敏感かつ空間分解能も高いため（測定深さ：数nm）、広く用いられているエネルギー分散型X線分光（EDS）（測定深さ：～1μm）に比べて、表面分析手法であるSSRMと好相性です。

図３　リチウムイオン電池合材電極のSSRM像（左図）と同じ場所のAES元素マッピング（右図）

■原子間力顕微鏡によるLiCoO₂電極の電子伝導マッピングと、主成分分析による解析

Analysis of LiCoO₂ electrodes through principal component analysis of current–voltage datacubes measured using atomic force microscopy
Yasushi Maeda, Noboru Taguchi, Hikari Sakaebe
J. Vac. Sci. Technol. B 39 (2021) 012402

本論文では、SSRM装置を用いて局所的な電子伝導特性を測定し、その空間マップデータを機械学習の一種である主成分分析（PCA）を用い、さらにエミッションモデルにより解析することで、SSRM像からは判別できない試料内部の電気的接続についても評価できる可能性を見出したことを報告しています。例えば図４にて、L3とL4のSSRM像は似通ったコントラストであるのに対して、直列抵抗Rの値は大きく異なっています。電池技術研究部門では、電池特性をより深く理解するために、こうした独自手法の開発も進めています。

図４　電子伝導マップの主成分分析による解析例。試料はLiCoO₂合材電極。

ナノ材料科学研究グループ