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技術紹介
二次電池
X線回折による電池材料の構造解析

X線回折による電池材料の構造解析

X線回折は結晶の原子配列を調べる手段の一つで、測定対象がどのような結晶構造の物質か、その物質に力が加わって変形していないか、などの情報を得ることができます。電池材料評価では、X線回折法を用いて正負極活物質の構造を決定したり、電池に通電しながら測定することで充放電に伴う構造変化を調べることができます。また、界面反応相など規則的な構造を持たない非晶質相の元素間の短距離秩序構造は、元素によって決まるX線吸収端の微細構造から求められることもあります。

リチウムイオン電池材料の構造解析の事例

X線回折装置の構成

X線回折による電池材料の構造解析の特徴

大気非暴露測定にも対応可能。
雰囲気、温度などの影響による変化に加え、電池の充放電に伴う相変化も調査可能。
ほぼ非破壊状態で、結晶構造を有する物質の相同定、相の存在比率の測定が可能。
結晶構造データベースを活用し、多岐にわたる物質の構造解析が可能。

X線回折による電池材料の構造解析の適用分野(用途)

鋼中の各種析出物の同定、α相/γ相比率の測定
合金中の相同定、相比率測定
結晶配向(薄膜、多結晶体)、集合組織の測定
残留応力、転位密度、結晶粒度の測定

X線回折の原理

X線と結晶構造の対応関係は回折現象を利用して行います。回折現象が起きる結晶の原子が並んだ面は、特定の規則(ブラッグの式)によって決まることが分かっており、回折X線の強度を回折角に対して測定することで結晶構造を決定することができます。

装置仕様

照射X線種:CuKα、CoKα
照射領域:汎用測定 ~φ20mm程度(試料回転可能な場合)
:微小部測定 φ1mm程度(カメラにて位置指定可能)
検出器:半導体1次元検出器、シンチレーション検出器
光学系:集中光学系、平行ビーム光学系

サンプル仕様

粉体状、板状、塊状など測定装置のステージにホルダーや治具で固定できるものなら測定可能。
専用のin situ測定用ハーフセルやラミネートセルを使用することで、電池充放電に伴う正極材/負極材の構造変化を測定可能。

リチウムイオン電池材料の構造解析の事例

事例1;鋼中の多結晶析出物(抽出残さ)の構造解析

鋼材の中から母相の鋼のみを電気分解で溶かして採取した多結晶析出物(抽出残さ)のX線回折図形と同定結果を下図に示します。

得られた析出物の回折図形によれば、窒化チタン(TiN)の標準データと一致することからTiNであることが推定されますが、元素種に関する情報は得られないため、同定には予め他の方法で構成元素を確認することが必要です。この析出物もTiとNが含有されることを予め蛍光X線分析で確認して、析出物がTiNであると同定されました。