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

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24750065
• 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
• キーワード: リチウムイオン電池 / 正極 / 電子構造 / コンプトン散乱 / コンプトンプロファイル

研究実績の概要

平成27年度は、本申請課題で開発を進めているコンプトンプロファイルのラインシェイプを用いたリチウム濃度定量法を、市販のコイン型リチウムイオン一次電池に適用した。リチウムイオン一次電池を15.57時間かけて放電させながら、入射X線を電池の高さ方向に繰り返し走査し、コンプトンプロファイルの測定を行った。得られたコンプトンプロファイルにそのラインシェイプの変化を数値化するパラメータ（Sパラメータ)を適用した。その結果、放電が進むにつれて正極内のセパレータに近い部分からSパラメータの高い領域が広がっていくことが観測され、それに伴いセパレータの位置が変化することが分かった。これは、放電によりLiイオンが負極から正極内に拡散していき、セパレータに近い部分からリチウム化合物が形成されることで正極材料の体積膨張が引き起こされたと考えられる。この正極材料の体積膨張によりセパレータの位置が変化したことが示唆される。放電開始直後と測定終了時のコンプトンプロファイルを調べたところ、リチウム化合物の生成を支持する結果が得られた。そこで、昨年度実証したSパラメータとリチウム濃度との検量線を用いて、放電過程におけるリチウム濃度の変化を調べた結果、おおよそ16時間の放電時間でSパラメータが6%変化し、MnO2正極内でLi0.75MnO2が形成されることを見出した。本成果により論文発表およびプレスリリースを行った。

研究成果

• [国際共同研究] Northeastern University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Northeastern University
• [国際共同研究] AGH University of Science and Technology(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: AGH University of Science and Technology
• [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, Y.J.Wang, H.Hafiz, Y.Uchimoto, A.Bansil, Y.Sakurai, and H.Sakurai
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 119 ページ: 025103-1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4939304
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [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: K.Suzuki, B.Barbiellini, Y.Orikasa, N.Go, H.Sakurai, S.Kaprzyk, M.Itou, K.Yamamoto, Y.Uchimoto, Y.J.Wang, H.Hafiz, A.Bansil, and Y.Sakurai
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 114 ページ: 087401-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.087401
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [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 – 2016-03-18
  • 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 – 2016-02-25
  • 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 – 2016-01-11
• [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 – 2015-11-26
  • 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 – 2015-09-19
• [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