住友ゴム工業、東北大学と共同で硫黄の結合状態を3次元で可視化することに成功

　住友ゴム工業は、東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの髙橋幸生教授と共同で、3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuを活用し、リチウム硫黄電池材料に用いる硫黄系正極活物質における化学状態を三次元で可視化することに成功した。

　同技術の応用により、現在開発を進めているリチウム硫黄電池における反応・劣化メカニズムの解明が進み、さらなる性能向上が期待される。

　同社は2011年から産業技術総合研究所と共同で、リチウム硫黄電池に関する研究開発を進めてきた。リチウム硫黄電池は、リチウムイオン電池の6～7倍の理論容量が期待でき、軽量かつ安全性に優れているが、充放電サイクル寿命が課題になっている。

　このサイクル寿命を向上させるには、硫黄系正極活物質（粒子）を詳細に観察し、粒子中の化学状態（特に化学結合状態）の分布を詳細に解析する必要がある。今回、ナノテラスのビームラインBL10Uを用い、テンダーX線領域における硫黄K殻吸収端近傍の4つのX線エネルギー（硫黄の化学結合状態の違いに応じて吸収特性が変化する特徴的なX線エネルギー）を選択し、X線タイコグラフィ－計算機断層撮影を実施した。

　その結果、硫黄K殻吸収端におけるX線タイコグラフィCTにより、約80ナノメートル（1ナノメートルは1メートルの10億分の1）という極めて微細な単位で、硫黄系正極活物質内部における硫黄の化学結合状態を三次元で可視化することに成功した。

　さらに試料内部では、比較的均一な形状を示す球状領域（硫黄が集積した粒子状の領域）において硫黄―硫黄結合が多く存在する一方、形状が不均一な非球状領域（炭素成分と混在した不規則形状の領域）では炭素や酸素成分ならびに硫黄―炭素結合が相対的に多いことが確認され、化学結合の空間的不均一性を明らかにした。

　今後、同研究成果を活用し、リチウム硫黄電池正極活物質における反応・劣化メカニズムの解明を通じて、充放電サイクル特性および充電容量のさらなる向上を目指す。