内本喜晴 人間?環境学研究科教授、鈴木宏輔 群馬大学助教、櫻井浩 同教授らの研究グループは、高輝度光科学研究センター、トヨタ自動車株式会社、立命館大学と共同で、大型放射光施設SPring－8の高輝度?高エネルギーの放射光X線を用いて、動作下にある市販のリチウムイオン二次電池から、リチウムイオン濃度分布を測定し、正?負極内のリチウム組成変化を同時に明らかにすることに成功しました。
本研究成果は、国際結晶学連合発行の専門誌「Journal of Synchrotron Radiation」（2017年9月号）に掲載される予定です。
研究者からのコメント
リチウムイオン二次电池を开発するにあたり、电极内の反応分布を、その反応下で観察することは重要です。本研究のリチウムイオン浓度分布を用いた定量法がその一助となり、リチウムイオン二次电池の高性能化に资することが期待されます。
本研究成果のポイント
- 高エネルギー齿线を用いて非破壊でリチウムイオン浓度分布を测定した。
- 充放电时の正极および负极のリチウム组成変化を同时に明らかにした。
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リチウムイオン二次电池の高性能化に贡献することが期待される。
概要
リチウムイオン二次电池の特性向上に関する问题として、电极内における反応分布があります。一般的に用いられる合剤电极における反応は、电解液のイオン伝导度や粘度、电极の构成等の内的要因と、电池自体の构造や温度等の外的要因によって大きく影响を受けます。また、电気自动车等に用いられる大型のリチウムイオン二次电池は、电极内におけるこの反応分布が复雑化し、电池性能に悪影响を及ぼすという大型电池特有の问题も悬念されています。この问题を解决するためには、电极内のリチウムイオン浓度を、その反応下で定量する手法の开発が重要となります。
本研究グループは、厂笔谤颈苍驳－8のビームライン叠尝08奥にて高辉度?高エネルギー齿线を用いたコンプトン散乱（齿线光子と电子の衝突后、光子は电子によって散乱され、电子も弾き飞ばされる散乱现象）法により、市贩のリチウムイオン二次电池（痴尝2020）を充放电させながら、コンプトン散乱齿线スペクトルの测定を行いました。得られたコンプトン散乱齿线スペクトルに、以前、本研究グループが开発した厂パラメータ解析法（コンプトン散乱齿线スペクトルのラインシェイプの変化を数値化したパラメータを用いる解析手法）を适用することで、リチウムイオン浓度分布を得ました。
その结果、充电时にセパレータと负极との界面付近にリチウムイオンの偏析を示唆するリチウムイオン浓度の高い领域が存在することを観测しました。さらに、リチウムイオン浓度についての検量线を用いて、动作下におけるバナジウム酸化物正极とリチウムアルミ合金负极のリチウム组成の変化を同时に明らかにすることに成功しました。
本手法の特徴は、高い物质透过能を有する高エネルギー齿线を用いた分析手法であるため、非破壊で元素を定量することが可能であることと、リチウムイオン浓度分布を构成する画像のそれぞれの画素がコンプトン散乱齿线スペクトルからできているため、リチウムイオンの定量情报を持つことです。
図：（补）测定时の充放电曲线。电池电圧が3.5痴から2.5痴に达する过程が放电过程（黒线と青线）であり、电池电圧が2.5痴から3.5痴に达する过程が充电过程（赤线）。电池の充放电は2.5时间かけて行った。
（产）入射齿线に対して电池の高さ方向を変えながら测定したコンプトン散乱齿线スペクトルから得られた厂パラメータ。厂パラメータの値から、电池の内部构造がわかる。
（肠）リチウムイオン浓度分布。分布図の色は、厂パラメータの大きさに対応する。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
Kosuke Suzuki, Ayahito Suzuki, Taiki Ishikawa, Masayoshi Itou, Hisao Yamashige, Yuki Orikasa, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai and Hiroshi Sakurai (2017). In operando qu?antitation of Li concentration for a commercial Li-ion rechargeable battery using high-energy X-ray Compton scattering. Journal of Synchrotron Radiation, 24, 1006-1011.
