In-situ XRD解析

充放電によって生じる電極反応機構を理解することは、電池の劣化機構を解明する上で極めて重要です。
リチウムイオン電池(以下Liイオン電池)では、充放電時にLiイオンが正・負極内に出入りするため、電池反応に伴う構造変化や体積変化が起こります。
In-situ XRD測定でこれらの変化を測定できます。

In-situ XRD測定

In-situ XRD測定用セルの構造(充放電可能)
図1 In-situ XRD測定用セルの構造
(充放電可能)

写真1 In-situ XRD測定用セル(リガク製)
写真1 In-situ XRD測定用セル
(リガク製)

  • 金属Liや充電状態の負極等は、水分・酸素との反応性が高く、大気下では測定が困難でした。
    そこで、当社では、大気非暴露下でのIn-situ XRD測定のため、写真1に示す特製のセル(Be窓)を導入しました。
  • さらに、簡易的な電池をセル内に組込み、充放電を行いながらのIn-situ XRD測定を実現しました(図1)。

正極材の充放電時のIn-situ測定事例

LiMn2O4正極のIn-situ XRD測定結果
図2 LiMn2O4正極のIn-situ XRD測定結果

  • LiMn2O4正極の充放電時のIn-situ XRD測定

正極にLiMn2O4、負極に金属Liを用いて、簡易的な電池を作製し、過放電させた状態でin-situ XRD測定した結果を図2に示します。
過放電状態(正極側に過剰にLiイオンが収蔵された状態)において、

LiMn2O4(立方晶)+Li ⇔ Li2Mn2O4(正方晶)

という相転移を伴う構造変化が起こることが確認されました(図3)。

結晶構造変化(イメージ)
図3 結晶構造変化(イメージ)

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JFEテクノリサーチ株式会社 営業本部