コンプトン散乱測定を利用したＬｉ元素の非破壊定量分析法の開発

• 研究課題/領域番号: 24750065
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 分析化学
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 鈴木 宏輔 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (90580506)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2013年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2012年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: リチウム電池 / コンプトン散乱 / 正極材料 / 電極材料 / 電子構造 / 非破壊分析法 / リチウムイオン電池 / 正極 / コンプトンプロファイル / リチウムイオン二次電池 / 電極反応 / コンプトン散乱法 / 定量分析法 / 酸化還元軌道 / LiMn2O4

研究成果の概要

本研究において、リチウムイオン二次電池正極材料LixMn2O4にコンプトン散乱法を適用し、リチウムイオンの挿入・脱離に寄与する酸化還元軌道を明らかにした。従来、LixMn2O4の酸化還元軌道はMn 3d軌道と考えられてきた。しかし、本研究からLixMn2O4の酸化還元軌道はO 2p軌道であり、リチウム挿入に伴いMn 3d軌道が実空間で非局在化することを見出した。
また、高エネルギーX線コンプトン散乱法によりリチウム組成を定量する手法の開発を行った。その結果、実験より得られるコンプトンプロファイルのラインシェイプのリチウム組成依存性と試料のリチウム組成との間に線形関係が成り立つことを見出した。

研究成果

• [国際共同研究] Northeastern University(米国)
• [国際共同研究] AGH University of Science and Technology(ポーランド)
• [雑誌論文] Non-destructive measurement of in-operando lithium concentration in batteries via x-ray Compton scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Yung Jui Wang, H. Hafiz, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y. Sakurai and H. Sakurai
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 119 号: 2 ページ: 025103-025103
  • DOI: 10.1063/1.4939304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extracting the Redox Orbitals in Li Battery Materials with High-Resolution X-Ray Compton Scattering Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: 8.K. Suzuki,B. Barbiellini, Y. Orikasa, N. Go, H. Sakurai, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Y. Uchimoto, Yung Jui Wang, H. Hafiz, A. Bansil, Y. Sakurai
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 114 号: 8 ページ: 087401-087401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.114.087401
  • NAID: 120005549955
  • 査読あり
• [学会発表] Non-Destructive Measurement of in-operando Lithium Concentration in Batteries via X-Ray Compton Scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: H.Hafiz, K.Suzuki, B.Barbiellini, Y.Orikasa, S.Kaprzyk, M.Itou, K.Yamamoto, Y.J.Wang, Y.Uchimoto, A.Bansil, Y.Sakurai, and H.Sakurai
  • 学会等名: The American Physical Society March Meeting2016
  • 発表場所: Maryland, USA
  • 年月日: 2016-03-14
  • 国際学会
• [学会発表] Electrode and Electrochemical Reactions Observed by Compton Scattering Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: K.Suzuki, B.Barbiellini, Y.Orikasa, T.Ishikawa, A.Suzuki, R.Yamada, H.Sakurai, S. Kaprzyk, M.Itou, K.Yamamoto, Y.J.Wang, H.Hafiz, H.Yamashige, Y.Uchimoto, A.Bansil, and Y.Sakurai
  • 学会等名: Energy Materials Nanotechnology on Batteries
  • 発表場所: Florida, USA
  • 年月日: 2016-02-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] コンプトンプロファイル解析によるLixCoO2正極材料のレドックス軌道の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴木宏輔, B.Barbiellini, 折笠有基, 櫻井浩, 伊藤真義, 内本喜晴, A.Bansil, 櫻井吉晴
  • 学会等名: 第29回日本放射光学会年会・合同シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学, 千葉
  • 年月日: 2016-01-09
• [学会発表] Non-Destructive Measurement of in-operando Lithium Concentration in Batteries via X-ray Compton scattering (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Yung Juni Wang, H. Hafiz, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y. Sakurai, and H. Sakurai
  • 学会等名: The 9th International Conference on Inelastic X-ray Scattering
  • 発表場所: Hsinchu, Taiwan
  • 年月日: 2015-11-22
  • 国際学会
• [学会発表] コンプトンプロファイルを用いたリチウムイオン二次電池正極材料LixCoO2の酸化還元軌道 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木宏輔, B.Barbiellini, 折笠有基, 櫻井浩, 伊藤真義, 内本喜晴, A.Bansil, 櫻井吉晴
  • 学会等名: 日本物理学会2015秋季大会
  • 発表場所: 関西大学, 大阪
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] コンプトンプロファイルのラインシェイプ解析によるリチウム濃度定量法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔, B. Barbiellini, 折笠 有基, 伊藤 真義, 山本 健太郎, 内本 喜晴, A. Bansil, 櫻井 吉晴, 櫻井 浩
  • 学会等名: 第28回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [学会発表] Non-destructive measurement of Li concentration in battery materials using X-ray Compton scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, B. Barbiellini, Y. Orikasa, S. Kaprzyk, M. Itou, K. Yamamoto, Young Jui Wang, H. Hafiz, Y. Uchimoto, A. Bansil, Y Sakurai, and H. Sakurai
  • 学会等名: Materials Research Society (MRS) Fall Meeting and Exhibit
  • 発表場所: Boston (USA)
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] Redox orbitals in LixMn2O4 (0<x<2) studied by X-ray Compton scattering (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, K. Minegishi, K. Hamano, H. Sakurai, B. Barbiellini, S. Kaprzyk, Yung Jui Wang, H. Hafiz, A. Bansil, Y. Orikaza, K. Yamamoto, Y. Uchimoto, M. Itou, and Y. Sakurai
  • 学会等名: XXIII Congress and General Assembly International Union of Crystallography (IUCr2014)
  • 発表場所: Montreal (Canada)
  • 年月日: 2014-08-05 – 2014-08-12
• [学会発表] コンプトンプロファイルを用いた正方晶LixMn2O4 (1<x<2)の電子構造 (2014)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔, 峯岸 克彦, 櫻井 浩, B. Barbiellini, A. Bansil, 折笠 有基, 内本 喜晴, 伊藤 真義, 櫻井 吉晴
  • 学会等名: 第27回 日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 広島国際会議場（広島県広島市）
• [学会発表] CRYSTAL09を用いたリチウムイオン二次電池正極材料LixMn2O4 (x=0, 1, 2)のコンプトンプロファイルの第一原理計算 (2014)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔, 峯岸 克彦, 濱野 健多, 櫻井 浩, B. Barbiellini, A. Bansil, 折笠 有基, 内本 喜晴, 伊藤 真義, 櫻井 吉晴
  • 学会等名: 日本物理学会 第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
• [学会発表] コンプトンプロファイルを用いたリチウムイオン二次電池正極材料LixMn2O4 (1<x<2)の電子構造 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔, 櫻井 浩, B. Barbiellini, A. Bansil, 折笠 有基, 内本 喜晴, 伊藤 真義, 櫻井 吉晴
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋期大会
  • 発表場所: 徳島大学 常三島キャンパス（徳島県徳島市）
• [学会発表] Electronic Structure of LixMn2O4 (1<x<2) using Compton Profile Measurement (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, N. Go, H. Sakurai, B. Barbiellini, S. Kaprzyk, Y. Wang, A. Bansil, Y. Orikasa, K. Yamamoto, Y. Uchimoto, M. Itou, Y. Sakurai
  • 学会等名: 8th International Conference on Inelastic X-ray Scattering (IXS2013)
  • 発表場所: SLAC National Accelerator Laboratory (USA)
• [学会発表] Electronic Structure of LixMn2O4 (1<x<2) using Compton Profile Measurement (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, H. Sakurai, B. Barbiellini, A. Bansil, Y. Orikasa, Y. Uchimoto, M. Itou, Y. Sakurai
  • 学会等名: 5th International Conference on Advanced Micro-device Engineering (AMDE2013)
  • 発表場所: Kiryu city performing arts center (Japan)
• [学会発表] コンプトン散乱を用いたLi挿入に伴うLixMn2O4（x=0.5, 1）の電子構造の変化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔
  • 学会等名: 第26回日本放射光学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県）
• [学会発表] コンプトンプロファイルを用いたリチウムイオン電池正極材料LixMn2O4（x=0.5, 1）の電子構造 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 宏輔
  • 学会等名: 日本物理学会 第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学（広島県）
• [備考] リチウムイオン二次電池の電池電極反応に寄与する電子軌道の解明
  • URL: http://www.gunma-u.ac.jp/information/4846
• [備考] 電池内部のリチウム元素を非破壊で定量する新手法の開発に成功
  • URL: http://www.gunma-u.ac.jp/information/11484