Research Abstract
リチウム電池反応のリアルタイム観測―実動作中のオペランド中性子回折解析
Real-time observations of lithium battery reactions—operando neutron diffraction analysis during practical operation
2016年6月30日 Scientific Reports 6 : 28843 doi: 10.1038/srep28843
電気自動車や定置利用向けのエネルギー貯蔵装置として、リチウム電池が非常に高性能を発揮する。しかし、大型電池の技術開発と各電池材料の基礎科学の間には、まだ未解明の課題があり、将来の電池技術にとって、実動作環境下での反応機構の解明が不可欠である。今回我々は、市販の18650型電池において、高電流動作によって引き起こされる非平衡状態の反応を検出できる高強度中性子のオペランド回折法を報告する。自動リートベルト解析機能を備えた飛行時間回折計からなる実験システムを開発し、連続充放電過程で得た回折データを収集・解析した。さらに、高電流の充放電下での観測を行い、不均一な反応、放電後の構造緩和、サイクルに伴う電極マトリックス中のリチウム濃度域の変化を明らかにした。今回の手法は、先進的な電池の開発に必要となる貴重な情報をもたらすものである。
Corresponding Author
Among the energy storage devices for applications in electric vehicles and stationary uses, lithium batteries typically deliver high performance. However, there is still a missing link between the engineering developments for large-scale batteries and the fundamental science of each battery component. Elucidating reaction mechanisms under practical operation is crucial for future battery technology. Here, we report an operando diffraction technique that uses high-intensity neutrons to detect reactions in non-equilibrium states driven by high-current operation in commercial 18650 cells. The experimental system comprising a time-of-flight diffractometer with automated Rietveld analysis was developed to collect and analyse diffraction data produced by sequential charge and discharge processes. Furthermore, observations under high current drain revealed inhomogeneous reactions, a structural relaxation after discharge, and a shift in the lithium concentration ranges with cycling in the electrode matrix. The technique provides valuable information required for the development of advanced batteries.
