Development of operando soft X-ray XAFS analysis technique for secondary batteries during charge/discharge operation

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05550
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 中西 康次 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 准教授 (70572957)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 軟X線XAFS / 蓄電池 / リチウムイオン電池 / 電荷補償

Outline of Annual Research Achievements

Ni組成比違いのLiNixCoyMnzO2電子構造変化を解析するため、これまでexsitu条件による軟X線吸収分光測定を実施し、主反応元素と考えられるNi以外にも酸素も電荷補償に寄与していることが明らかとなった他、Ni組成比を系統的に変化させたLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2（NCM333）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）の測定を実施して、NCM333と比較し、NCM622やNCM811においては、充放電前の初期段階(放電状態)において酸素の価数が-2価ではなくやや酸化された状態であることが分かった。
上記を踏まえ、Ni含有比率違いの蓄電池非解体、動作中のoperando条件での軟X線吸収分光測定を実施するため、operandoXAS専用セルを開発し、ラボにおける充放電試験を実施した。充電過程においては市販蓄電池試験セルと同様の電気化学データが得られたものの、放電過程においては同様の結果が得られなかった。この要因を調査したところ、集電箔からの電極剥がれが原因と考えられる。デバイスとしての蓄電池にとっては放電過程の電子構造変化が重要と考えられる。これを改善、克服すべく専用セルの仕様変更、電極部材の変更や仕様変更など様々な手段を用いているが、現段階においてはこの問題を克服した専用セルの開発には至っていない。蓄電池動作中の軟X線吸収分光測定の実施に向け、引き続き専用セルや電極の仕様の検討を実施しする。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

酸素などの軽元素の測定が可能な軟X線吸収分光を用いた蓄電池動作中の正極の電子構造解析を実施するためにはこれまで報告例のない専用セルの開発が必要である。開発した専用セルでは充電は可能であるが、放電においてはその途中過程で電極剥がれによると考えられる不具合が生じている。これを克服するため専用セルの仕様変更や電極部材の検討を行ったが、問題の克服には至っていない。

Strategy for Future Research Activity

蓄電池の充放電動作中軟X線吸収分光測定を実施可能な専用セルについて、引き続き仕様変更や電極部材の検討を行う。これを実施するため、本研究課題はR3年度で終了予定であったが、研究機関を延長する。

Causes of Carryover

研究実施状況の遅れに伴い、計画上必要と考えられる経費の利用ができなかった。