JP2019144123A - 電池材料の化学状態分析方法 - Google Patents
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電池のうち分析対象の電池材料を含む分析対象部が露出するように該電池を解体し、
前記電池材料の特性X線を発生させるための励起線を、前記分析対象部の表面中の所定の照射領域に直接、又は該分析対象部を被覆し該励起線及び該特性X線を通過させる保護層を介して照射し、
前記励起線の照射により前記照射領域で生成される特性X線を、該照射領域に面して設けられた平板から成る分光結晶に、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行であって該照射領域と該分光結晶の間に設けられたスリットを通して入射させることにより分光し、
前記分光結晶で分光された特性X線を、前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたX線リニアセンサで検出し、
前記X線リニアセンサが検出した特性X線の強度に基づいて波長スペクトルを作成し、該波長スペクトルのピークにおける波長であるピーク波長を求め、該ピーク波長と、前記試料中の電池材料の化学状態を表す値とピーク波長の関係を示す標準曲線(検量線)から、前記化学状態を特定する値を求める
ことを特徴とする。
図1は、本実施形態の化学状態分析方法で用いる化学状態分析装置10の概略側面図である。この化学状態分析装置10は、励起源11と、スリット12と、平板から成る分光結晶13と、X線リニアセンサ14と、試料ホルダ15と、データ処理部16と、標準曲線データ記憶部17とを備える。
以下に、化学状態分析装置10を動作させることにより実行される、本実施形態の化学状態分析方法を説明する。
以下、本実施形態の化学状態分析方法において実際に作成した標準曲線、及び該標準曲線を用いて試料の分析を行った結果を示す。
図4(a)及び(b)のグラフでは、化学的に安定なMn2O3(Mnが+3価)及びMnO2(同+4価)を標準試料として測定した結果に基づいて作成した、Mnの価数とピークエネルギー(ピーク波長に対応)の関係を示す標準曲線を直線で示している。グラフの横軸はMnの価数、縦軸はピークエネルギーを表している。なお、図4(a)と(b)に示した標準曲線は両者同じものである。図中の2個の白丸印がピークエネルギーの測定値を示し、直線は2個の白丸印の測定点を直線で結ぶことで定めた標準曲線である。測定はMn2O3、MnO2共に5回ずつ行い、それぞれピークエネルギーの平均値を取った。また、標準偏差の値をエラーバーとした。
図5(a)及び(b)のグラフでは、正極材21の材料と同じLiMn2O4、及び正極材21と同種の複数種の元素(Li、Mn及びO)から成るLi2MnO3を標準試料を測定した結果に基づいて作成した、Mnの価数とピークエネルギー(ピーク波長に対応)の関係を示す標準曲線を直線で示している。図4と同様に、グラフの横軸はMnの価数、縦軸はピークエネルギーを表しており、(a)と(b)に示した標準曲線は両者同じものである。図中の2個の白丸印がピークエネルギーの測定値を示し、直線は2個の白丸印の測定点を直線で結ぶことで定めた標準曲線である。測定はLiMn2O4、Li2MnO3共に5回ずつ行い、それぞれピークエネルギーの平均値を取り、標準偏差の値をエラーバーとした。
図6(a)のグラフでは、充電上限電圧まで1回充電した(SOC-100(初回充電))リチウムイオン電池20の正極材21と、充電上限電圧まで1回充電した後に放電終止電圧まで1回放電した(DOD-100(初回放電))リチウムイオン電池20の正極材21を標準試料として作成した標準曲線を直線で示している。この標準曲線では、SOC-100(初回充電)の化学状態を100%、DOD-100(初回放電)の化学状態を0%とし、これらの化学状態の指数を横軸、ピークエネルギーの値を縦軸としてグラフ上にプロット(図6(a)中の白丸印)し、両者を直線で結んだ。図6(a)には併せて、リチウムイオン電池20に対して充電上限電圧までの充電及び放電終止電圧までの放電を1回行った後に、容量50%まで充電を行ったもの(SOC-50)、及び2回目の充電上限電圧までの充電を行った後に容量50%まで放電を行ったもの(DOD-50)について、本実施形態の化学状態分析方法により測定したピークエネルギーの値を標準曲線上に黒丸印で示す。これら黒丸印のデータ点における横軸の値が、各充電又は放電状態における正極材21の化学状態を表す指数である。なお、2つの標準試料、SOC-50及びDOD-50のいずれにおいても5回ずつ測定を行い、ピークエネルギーの平均値を取り、標準偏差の値をエラーバーとした。
図7に、活性化処理としてリチウムイオン電池20に充電上限電圧までの充電及び放電終止電圧までの放電を1回行った後に、2回目の充電上限電圧までの充電及び放電終止電圧までの放電を行い、図4(a)及び(b)に示した標準曲線を用いて、この2回目の充電及び放電の間の正極材21中のMnの価数の変化を測定した結果を示す。測定は5回ずつ行い、ピークエネルギーの値は5回の平均値とし、標準偏差の値をエラーバーとした。図7に示すように、正極材21の化学状態(Mnの価数)は、充電開始時及び放電終止時では1回目の充放電と2回目の充放電の間に相違は無いものの、充電中、充電上限電圧のとき、及び放電中では1回目と2回目の間に相違があることが明らかになった。
11…励起源
12…スリット
13…分光結晶
14…X線リニアセンサ
141、1411、1412…検出素子
15…試料ホルダ
16…データ処理部
161…波長スペクトル作成部
162…ピーク波長決定部
163…化学状態特定部
17…標準曲線データ記憶部
20…リチウムイオン電池
21…正極材
22…負極材
23…セパレータ
24…集電体
25…電解液
26、27…ラミネート材
A…照射領域
S…試料
Claims (8)
- 電池のうち分析対象の電池材料を含む分析対象部が露出するように該電池を解体し、
前記電池材料の特性X線を発生させるための励起線を、前記分析対象部の表面中の所定の照射領域に直接、又は該分析対象部を被覆し該励起線及び該特性X線を通過させる保護層を介して照射し、
前記励起線の照射により前記照射領域で生成される特性X線を、該照射領域に面して設けられた平板から成る分光結晶に、該照射領域及び該分光結晶の所定の結晶面に平行であって該照射領域と該分光結晶の間に設けられたスリットを通して入射させることにより分光し、
前記分光結晶で分光された特性X線を、前記スリットに平行な方向に長さを有する線状の検出素子が該スリットに垂直な方向に並ぶように設けられたX線リニアセンサで検出し、
前記X線リニアセンサが検出した特性X線の強度に基づいて波長スペクトルを作成し、該波長スペクトルのピークにおける波長であるピーク波長を求め、該ピーク波長と、前記試料中の電池材料の化学状態を表す値とピーク波長の関係を示す標準曲線から、前記化学状態を特定する値を求める
ことを特徴とする化学状態分析方法。 - 前記電池を解体した後に、前記分析対象部を洗浄する洗浄工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の化学状態分析方法。
- 前記洗浄工程が、非プロトン性の鎖状カーボネート系有機溶媒で洗浄するものであることを特徴とする請求項2に記載の化学状態分析方法。
- 前記洗浄工程が、スプレー洗浄、シャワー洗浄、ディップ洗浄のいずれかの方法で洗浄するものであることを特徴とする請求項2又は3に記載の化学状態分析方法。
- 前記電池の解体及びそれ以後の各工程を、乾燥雰囲気下、又は空気を遮断した環境下で行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の化学状態分析方法。
- 前記標準曲線が、測定対象の電池材料よりも化学的に安定であって、該電池材料が有する元素のうちの1種から成るイオンであって互いに価数が異なるイオンを含有する複数の標準試料の各々から得られる波長スペクトルのピークの波長及び該価数に基づき作成されたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の化学状態分析方法。
- 前記標準曲線が、測定対象の電池材料が有する複数種の元素と同種の元素から成り、該複数種の元素のうちの1種から成るイオンであって互いに価数が異なるイオンを含有する複数の標準試料の各々から得られる波長スペクトルのピークの波長及び該価数に基づき作成されたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の化学状態分析方法。
- 前記標準曲線が、同種の2次電池において、充電上限電圧まで充電したときの波長スペクトルのピークの波長と、放電終止電圧まで放電したときの波長スペクトルのピークの波長に基づき作成されたものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の化学状態分析方法。
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