Operando quantum-state sensing for sodium-ion rechargeable battery

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05519
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 鈴木 宏輔 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (90580506)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: コンプトン散乱法 / 蓄電池 / 電極反応

Outline of Annual Research Achievements

今年度は電極材料の電子状態分析法の開発に注力し研究をおこなった。その研究の一つとして電極活物質の酸化・還元軌道の解明があり、今年度はリチウム過剰性正極材料の高容量化の鍵となる「孤立した」酸素2p軌道の可視化に成功した。また、酸素2p軌道が孤立化するメカニズムとして、リチウムの挿入により遷移金属イオンの3d電子と酸素2p電子との間でクーロン反発が起こり3d軌道が局在化することで、遷移金属イオンの3d軌道と酸素2p軌道との結合が弱まることによることを明らかにした。さらに磁気コンプトン散乱法により得られるスピン磁気モーメントが活物質の酸化・還元種の変化に敏感であることを示唆する結果が得られた。以上の成果は電極反応メカニズムの詳細な理解を与え、コンプトン散乱を用いた分析法により電極材料の電子状態を解明できることを示した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

Na3Biの合成が十分にできなかったためである。

Strategy for Future Research Activity

Na3Bi試料を取得し、放射光実験を行うことを考えている。

Causes of Carryover

世界的なコロナ禍の影響により国際会議などが全てオンラインになったことが最も大きな原因である。次年度は、本研究課題で得られた成果の論文投稿費や試料作製に必要となる備品などの購入に充てたいと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] LUT University/University of Helsinki/Akkurate Oy(フィンランド)
  • Country Name: FINLAND
  • Counterpart Institution: LUT University/University of Helsinki/Akkurate Oy
• [Int'l Joint Research] Northeastern University/Carnegie Mellon University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Northeastern University/Carnegie Mellon University
• [Journal Article] Redox oscillations in 18650-type lithium-ion cell revealed by <i>in operando</i> Compton scattering imaging (2021)
  • Author(s): Suzuki Kosuke、Suzuki Shunta、Otsuka Yuji、Tsuji Naruki、Jalkanen Kirsi、Koskinen Jari、Hoshi Kazushi、Honkanen Ari-Pekka、Hafiz Hasnain、Sakurai Yoshiharu、Kanninen Mika、Huotari Simo、Bansil Arun、Sakurai Hiroshi、Barbiellini Bernardo
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Pages: 161902～161902
  • DOI: 10.1063/5.0048310
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tomographic reconstruction of oxygen orbitals in lithium-rich battery materials (2021)
  • Author(s): Hafiz Hasnain、Suzuki Kosuke、Barbiellini Bernardo、Tsuji Naruki、Yabuuchi Naoaki、Yamamoto Kentaro、Orikasa Yuki、Uchimoto Yoshiharu、Sakurai Yoshiharu、Sakurai Hiroshi、Bansil Arun、Viswanathan Venkatasubramanian
  • Journal Title: Nature Volume: 594 Pages: 213～216
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03509-z
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic Compton Scattering Study of Li-Rich Battery Materials (2021)
  • Author(s): Suzuki Kosuke、Otsuka Yuji、Hoshi Kazushi、Sakurai Hiroshi、Tsuji Naruki、Yamamoto Kentaro、Yabuuchi Naoaki、Hafiz Hasnain、Orikasa Yuki、Uchimoto Yoshiharu、Sakurai Yoshiharu、Viswanathan Venkatasubramanian、Bansil Arun、Barbiellini Bernardo
  • Journal Title: Condensed Matter Volume: 7 Pages: 4～4
  • DOI: 10.3390/condmat7010004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-destructive imaging of the light elements in the functional materials using high-energy X-ray Compton scattering (2021)
  • Author(s): K. Suzuki, H. Sakurai, N. Tsuji, Y. Sakurai, Y. Orikasa, Y. Uchimoto, A.-P. Honkanen, K. Jalkanen, J. Koskinen, H. Hafiz, M. Kanninen, S. Huotari, A. Bansil and B. Barbiellini
  • Organizer: nternational Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Redox oscillations in 18650-type lithium-ion cell revealed by in-operando Compton scattering imaging (2021)
  • Author(s): K. Suzuki, S. Suzuki, Y. Otsuka, N. Tsuji, K. Jalkanen, J. Koskinen, K. Hoshi, A.-P. Honkanen, H. Hafiz, Y. Sakurai, M. Kanninen, S. Huotari, A. Bansil. H. Sakurai, and B. Barbiellini
  • Organizer: 25th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高エネルギーX線コンプトン散乱によるリチウム電池研究 (2021)
  • Author(s): 鈴木宏輔
  • Organizer: SPring-8シンポジウム2021
  • Invited
• [Presentation] Visualization of spatio-temporal oscillation of electrode reaction in a large electrochemical cell using operando Compton scattering imaging (2021)
  • Author(s): K. Suzuki, S. Suzuki, Y. Otsuka, N. Tsuji, K. Jalkanen, J. Koskinen, K. Hoshi, A.-P. Honkanen, H. Hafiz, Y. Sakurai, M. Kanninen, S. Huotari, A. Bansil. H. Sakurai, and B. Barbiellini
  • Organizer: Materials Research Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能コンプトン散乱法によるリチウム過剰系正極材料の“孤立した”酸素2p軌道の可視化 (2021)
  • Author(s): 鈴木 宏輔, H. Hafiz, B. Barbiellini, 辻 成希, 藪内 直明, 山本 健太郎, 折笠 有基, 内本 喜晴, 櫻井 吉晴, 櫻井 浩, A. Bansil, V. Viswanathan
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] コンプトン散乱イメージングによる18650型 リチウムイオン電池の電極反応パターンのオペランド観測 (2021)
  • Author(s): 鈴木 宏輔, 鈴木 駿太, 大塚 祐司, 辻 成希, K. Jalkanen, J. Koskinen, 星 和志, A-.P. Honkanen, H. Hafiz, 櫻井 吉晴, M. Kanninen, S. Huotari, A. Bansil, 櫻井 浩, B. Barbiellini
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム
• [Remarks] 充電中の円筒型リチウムイオン実電池内で電極反応の自己組織化パターンを観測
  • URL: https://www.st.gunma-u.ac.jp/20210420-eisuzuki/
• [Remarks] 高エネルギーX線散乱によりリチウム過剰系正極材料に特徴的なアニオンの酸化還元軌道を可視化
  • URL: https://www.st.gunma-u.ac.jp/20210610-eisuzuki/