2021 Fiscal Year Annual Research Report
Chemical State Visualization of Battery Materials by Operando X-ray Spectro-Ptychography
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20K15375
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
石黒 志 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, 助教 (20752455)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | X線タイコグラフィ / X線吸収微細構造 / 蓄電材料粒子 / オペランド計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、充放電過程でのリチウム蓄電池正極活物質粒子内及び粒子間界面付近の化学状態分布を10 nmオーダーの空間分解能を持つX線タイコグラフィを始めとした各種X線イメージングとXAFS分光に組み合わせた各種イメージングXAFS計測法よって可視化し、粒子内・粒子界面でのイオン輸送・拡散現象に関する未知なる構造-機能相関性を抽出することを目指した。 2021年度は、①Li過剰バナジウム酸化物系正極活物質粒子、②ポリマー系Li-S電池正極活物質の充電前後でのタイコグラフィXAFS計測や、③オペランド結像顕微CT-XAFS計測による薄膜型全固体電池の正極層内の充電前後での化学状態分布変化の可視化を検討した。
①②においては充放電前後の両材料粒子の数十nmの空間分解能での実空間吸収像・位相像、及び同空間分解能でのV-K端・S-K端空間分解XAFSスペクトル変化を取得することに成功した。①Li過剰バナジウム酸化物系正極活物質粒子では、各ピクセルのXAFSスペクトルのカーブフィッティング解析により、材料合成過程における化学状態の不均一性と充放電過程におけるV酸化還元・Li脱挿入の空間不均一性を両方捉える事に成功した。②の結果の解析からは、充放電に伴い、LiSx種の痕跡の確認、硫黄の溶解を示す結果を得た。
③の計測においては、正極にLiCoO2を積層した薄膜型全固体電池を予め集光イオンビームを用いてコンピュータ断層撮影に適した微細加工を行った。加工した試料電池をSPring-8で充放電を行いながら、100 nm空間分解能を有する結像顕微CT-XAFSのオペランド計測を行ったところ、主に積層断面方向、固体電解質側と集電体側において、Co化学状態の違いを観測する事に成功した。
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