Electrode reaction mechanism in lithium-ion batteries toward operando lithium concentration quantitation analysis

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K17873
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 鈴木 宏輔 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (90580506)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: リチウムイオン電池 / 正極材料 / 酸化還元反応 / コンプトン散乱 / オペランド測定

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、以下を行なった。
(1)昨年度から継続して解析を進めていたコンプトン散乱法によるLixFePO4正極の電極反応メカニズムについて、論文発表を行ない、本研究課題の目的の一つであるLixFePO4正極材料のLi挿入に寄与する磁気特性の解明を果たした。
(2) 市販のコイン型リチウムイオン電池を充放電させながら、コンプトン散乱X線エネルギースペクトルの測定を行なった。得られたエネルギースペクトルに、昨年度、我々が開発したSパラメータ解析法を適用することで、リチウムイオン濃度分布を得た。得られたリチウムイオン濃度分布から充放電に伴う電極の体積膨張・収縮によりセパレータ位置が変化することを観測した。また、充電時にセパレータと負極との界面付近にリチウムの偏析を示唆するリチウムイオン濃度の高い部分を観測した。さらに、充放電に正極と負極に寄与するリチウム量を定量するため、Sパラメータとリチウム量に関する検量線を用いてSパラメータからリチウム量を算出した。その結果、ICP分析で得られたリチウム量と同程度でリチウム量が定量できることを見出し、動作下におけるバナジウム酸化物正極とリチウムアルミ合金負極のリチウム量の変化を非破壊で同時に測定することに成功した。本手法は、物質透過能の高い高エネルギーX線を用いるため、実電池をそのまま測定できる点で大きな意義がある。
(3) LixMn2O4正極材料の磁気コンプトンプロファイルの解析を行い、第一原理計算の結果と比較を行った。その結果、リチウム量xが、x=1の時、反強磁性となるが、xが1からわずかにずれることでフェリ磁性となることを見出した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Northeastern University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Northeastern University
• [Int'l Joint Research] AGH University of Science and Technology(ポーランド)
  • Country Name: POLAND
  • Counterpart Institution: AGH University of Science and Technology
• [Int'l Joint Research] Universiteit Antwerpen(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: Universiteit Antwerpen
• [Journal Article] In operando quantitation of Li concentration for a commercial Li-ion rechargeable battery using high-energy X-ray Compton scattering (2017)
  • Author(s): Suzuki Kosuke、Suzuki Ayahito、Ishikawa Taiki、Itou Masayoshi、Yamashige Hisao、Orikasa Yuki、Uchimoto Yoshiharu、Sakurai Yoshiharu、Sakurai Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 24 Pages: 1006～1011
  • DOI: https://doi.org/10.1107/S1600577517010098
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visualizing redox orbitals and their potentials in advanced lithium-ion battery materials using high-resolution x-ray Compton scattering (2017)
  • Author(s): Hafiz Hasnain、Suzuki Kosuke、Barbiellini Bernardo、Orikasa Yuki、Callewaert Vincent、Kaprzyk Staszek、Itou Masayoshi、Yamamoto Kentaro、Yamada Ryota、Uchimoto Yoshiharu、Sakurai Yoshiharu、Sakurai Hiroshi、Bansil Arun
  • Journal Title: Science Advances Volume: 3 Pages: e1700971 1-6
  • DOI: 10.1126/sciadv.1700971
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] リチウムイオン実電池内部のリチウムイオン分布をX線コンプトン散乱法により透視 (2017)
  • Author(s): 鈴木宏輔、櫻井浩
  • Journal Title: Isotope News Volume: 750 Pages: 26-30
• [Presentation] Magnetic Compton scattering study of LixMn2O4 at Verwey transition (2018)
  • Author(s): H. Hafiz, K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, V. Callewaert, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, R. Yamada, Y. Uchimoto, Y. Sakurai, H. Sakurai, A. Bansil
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting
• [Presentation] X-rays Compton scattering advanced characterization of olivine Lithium battery materials (2018)
  • Author(s): B. Barbiellini, H. Hafiz, K. Suzuki, Y. Orikasa, V. Callewaert, S. Karzyk, M. Itou, K. Yamamoto, R. Yamada, Y. Uchimoto, Y. Sakurai, H. Sakurai, A. Bansil
  • Organizer: American Physical Society, March Meeting
• [Presentation] コンプトン散乱法によるLiFePO4の酸化還元軌道の可視化と電位シフトメカニズムの解明 (2018)
  • Author(s): 鈴木宏輔、H. Hafiz, B. Barbiellini, 折笠有基、V. Callewaert, S. Kaprzyk, 伊藤真義、山本健太郎、山田涼太、内本喜晴、櫻井吉晴、櫻井浩、A. Bansil
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] コンプトンプロファイルを用いたコイン型リチウムイオン二次電池におけるLi濃度分布の放充電レート依存性 (2018)
  • Author(s): 金井崚、鈴木宏輔、折笠有基、内本喜晴、辻成希、櫻井吉晴、櫻井浩
  • Organizer: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Electronic Structure of Oxide Electrode Materials studied by Compton Profiles (2017)
  • Author(s): K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, S. Kaprzyk, M. Itou, H. Hafiz, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y. Sakurai, H. Sakurai
  • Organizer: 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strongly Correlated Electronic Structure in Battery Materials Studied by Compton Scattering Spectroscopy (2017)
  • Author(s): K. Suzuki, B. Barbiellini, H. Hafiz, R. Yamada, Y. Orikasa, V. Callewaert, S. Kaprzyk, M. Itou, Y. J. Wang, Y. Uchimoto, A. Bansil. Y. Sakurai, H. Sakurai
  • Organizer: Nano Science & Technology 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] コンプトン散乱法による実用リチウムイオン二次電池の非破壊反応分布イメージング (2017)
  • Author(s): 鈴木宏輔
  • Organizer: 日本顕微鏡学会・様々なイメージング技術研究部会
  • Invited
• [Remarks] 正・負極内のリチウム組成変化を電池の動作下で同時に測定することに成功
  • URL: http://www.gunma-u.ac.jp/information/29247
• [Remarks] 高エネルギーX線散乱を用いた新たなリチウムイオン電池評価法を確立
  • URL: http://www.gunma-u.ac.jp/information/29899