리튬 이온 배터리를 스피드 바카라하고 배출 할 때 전극의 상세한 전자 상태

고급 산업 과학 기술 연구소 (Nakabachi Ryoji 의장) (이하 AIST "), 에너지 기술 연구 부서 (Ohara Haruhiko의 책임자), 에너지 인터페이스 기술 그룹, 연구원 인 Shu Goshin, 연구원 Asakura Daisuke 및 Physical Properties Institutes (University of the University of the University) 연구소 (Takigawa Jin의 책임자), Harada Jihisa 등,리튬 이온 배터리스피드 바카라 및 배출시긍정적 인 물질세부 사항전자 상태소프트 X- 선 방출 분광법를 사용하여 설명되었습니다

이 연구는 스피드 바카라 및 배출 동안 소프트 X- 선 방출 분광법을 측정하는 것을 목표로합니다유기 전해질리튬 양극 이 배터리 셀을 사용하여Lithium manganate양성 전극에서 망간 원자를 스피드 바카라하고 배출하는 동안 전자의 흐름을 분석 하였다 소프트 X- 선 방출 분광법이 큽니다Silent Light시설Spring-8도쿄 대학 아웃 스테이션 BL07LSU에서 수행되었습니다 기존 재료를 사용하여 리튬 이온 배터리의 스피드 바카라 및 배출 메커니즘에 대한 세부 사항을 공개함으로써, 이는 차세대 고성능 전극 재료의 개발에 기여할 것으로 예상됩니다

또한이 연구의 결과는 2014 년 11 월 25 일 국제 전기 화학 학회 (International Electrochemical Society)에 의해 발표되었습니다전기 화학 통신의 온라인 버전에 게시되었습니다

Spring-8 Tokyo University OutStation BL07LSU (왼쪽) 및 이번에는 분석 배터리 셀의 모양 (오른쪽)

리튬 망간 (LIMN₂O₄) 및 리튬 코발 테이트 (LICOO₂) 등은 전기 자동차 및 고정 전기 저장 시스템과 같은 대규모 응용 프로그램을위한 것입니다스피드 바카라/배출 용량등 성능이 부족하고 비용도 줄입니다Repellent Charge and Dischance 특성의 개선 된 성능도 필요합니다

이러한 양성 전극 재료의 성능을 효율적으로 개선하기 위해서는 기존 재료의 스피드 바카라 및 배출 메커니즘을 명확히하는 것이 중요하며, 스피드 바카라 및 배출 반응 중에 사용되는 코발트 (CO) 및 망간 (MN)으로 만들어집니다전환 금속 요소에서 전자 유입 및 출구 (산화 감소 반응)를 추적하기위한 연구가 널리 수행됩니다 기존의 싱크로트론 방사선하드 엑스레이X- 선 흡수 분광법이 경우 반응하는 전환 금속 요소와 같은 정보를 얻을 수 있지만 전자 상태에 대한 자세한 정보를 얻는 것은 어렵습니다

한편, 싱크로트론 광 소프트 X- 선 분광법 (예 : 소프트 X- 선 흡수 분광법 또는 소프트 X- 선 방출 분광법)의 적용은 수행되고 있지만, 이는보다 상세한 정보를 제공하는데, 이는 샘플이 긍정적 인 전극에 배치되어야하고, 스피드 바카라 중에 부정적인 전극에 배치되어야하며, 전해질과의 배출은 전기 전극에 배치되어야하기 때문이다 이 측정이 가능 해지면 더 저렴한 배터리와 더 안전하고 더 긴 수명을 개발할 수 있습니다 또한, 일반적으로 불활성으로 간주되는 양성 전극 재료에서 산소의 산화 감소 반응이 전자 상태의 발견을 기반으로 요소를 대체함으로써 전자 상태를 제어함으로써 적극적으로 활용 될 수 있다면, 스피드 바카라 용량이 극적으로 증가하고, 전하-배터리 전위의 소프트 X- 선 분광법이 바람직하다

AIST는 리튬 이온 배터리의 성능을 향상시키기 위해 양성 전극을 개발하기 위해 노력하고 있습니다 이 개발 가이드 라인에 필수적인 기존 재료의 스피드 바카라 및 배출 메커니즘을 명확히하기 위해, 우리는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 전극 간 및 전극 내에서 이온 전달 메커니즘을 설명하고, 결정 구조를 분석하고, X- 레이 흡수 분광학을 사용하여 전기 상태를 분석하는 등 다양한 분석에 중점을 두었습니다

최근에, 우리는 소프트 X- 선 분광법을 사용하여 전자질의 전자 상태를 연구 해 왔으며, 이는 전자 유입 및 전이 금속 요소의 출구에 대한보다 자세한 분석을 허용하지만 스피드 바카라 및 배출 작업 동안 전자의 전자 상태를 평가할 수는 없었습니다 이를 위해, 우리는 전극 재료를 스피드 바카라 및 배출하는 동안 소프트 X- 선 분광법 측정 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다

이 연구는 과학 연구 보조금 (일본 과학 홍보 협회 : Young Research) <문제 번호 25871186>) 및 일본-US 에너지 환경 기술 연구 및 표준화 협력 프로젝트 (2010-2014) 경제, 무역 및 산업부와 계약을 체결했습니다

연질 X- 선 분광법은 부드러운 엑스레이가 진공을 통과하기 위해 소프트 엑스레이가 필요하므로 대기압 하에서 샘플을 측정하기 위해서는 소프트 X- 선을 통과 할 수있는 실리콘 질화물로 주로 제조 된 박막 창 재료를 사용하여 진공 챔버 및 대기압 챔버를 분리해야합니다 이러한 측정 기술은 최근 몇 년 동안 개발되었지만, 유기 전해질 또는 전극 재료를 갖는 리튬 이온 배터리가 측정 된 예는 관찰되지 않았다

이번에는 라미네이트 필름이 금속에 대한 접착력을 증가시키는 알루미나 층의 순서대로 실리콘 질화물 윈도우 재료 (150 nm 두께)로 코팅 된 실리콘 기판 상에 만들어졌으며, 그 후 타이티늄 및 금의 두 층으로 구성된 금속 전류 수집기 층을 직접 제작 하였다 리튬 망간 박막의 두께는 100 nm 미만입니다 또한, 실리콘 기판의 중앙 부분을 화학적 처리에 의해 제거하고, 질화물 윈도우 재료를 노출시켜 특수한 박막 전극을 생성 하였다 (도 1) 이 박막 전극을 양성 전극으로 사용하여, 리튬 애노드 및 리튬 이온 배터리의 평가에 사용되는 전형적인 유기 전해질과 함께, 스피드 바카라 및 배출 작업 동안 소프트 X- 선 방출 분광법이 가능한 배터리 셀과 조합하여 개발되었다 (도 2)

그림 1 박막 전극의 개략도

그림 2 배터리 셀의 개략도

한 번 스피드 바카라 및 배출 후, 두 번째 전하 (34V) 전의 망간의 소프트 X- 선 방출 스펙트럼, 스피드 바카라 중 (45V) 및 방전 중 (30V)를 측정 하였다 괄호의 전위는 측정 시점에 있습니다 그림 3은 측정 결과를 보여줍니다 수평 축은 입사 소프트 X- 레이와 샘플의 빛나는 소프트 X- 레이의 에너지 차이입니다전자 볼트(EV)에 표시되었습니다 전해질에 침지되기 전에 리튬 망간 박막의 초기 상태에서, +삼위화 (MN³⁺) 및 +4 원자가 (MN⁴⁺) 스피드 바카라 전 방출 스펙트럼은 초기 상태와 동일한 형태였으며, 첫 번째 스피드 바카라 및 배출 중에 망간 전자 상태가 가역적으로 변경되어 원래 상태로 되돌아 갔다 스피드 바카라시 스펙트럼은 스피드 바카라 전과 비교하여 크게 변경되었으며 MN³⁺및 MN⁴⁺MN에서³⁺All Mn⁴⁺로 산화 된 것으로 여겨진다 특히, 약 8 eV의 망간 및 산소의 결합 특성으로부터 유래 된 피크의 강도는 망간과 동일하다3D 궤도그 자체로부터 유래 된 피크 (1 eV ~ 6eV)에 비해 상대적으로 증가하고 스피드 바카라시, 즉 MN⁴⁺망간 산소 결합이 더 강했습니다 망간은 mn³⁺및 MN⁴⁺의 상태 사이에서 앞뒤로 이동할 때 망간-산소 결합 특성의 강도가 크게 변하기 때문에, 스피드 바카라 및 배출이 반복됨에 따라 망간 산소 사이의 화학적 결합 특성이 감소 할 것으로 추정되며, 이는 전극 성능의 악화로 이어지는 것으로 생각된다

이전에, 결정 구조 분석 및 기타 방법은 구조적 관점에서 리튬 분해와 관련된 망간 원자와 산소 원자 사이의 결합 거리의 연장 및 수축을 보여 주었지만, 이제는 소프트 X- 선 방출 분광법으로 인해 전자 상태의 관점에서 ATOM 간의 화학적 결합 강도의 변화를 평가할 수있게되었다

그림 3 망간 소프트 X- 선 방출 분광학의 결과

배출 동안의 스펙트럼은 스피드 바카라 전과 유사하며, 망간 산화 감소 반응은 두 번째 전하 및 배출 동안에도 가역적으로 진행되는 것으로 밝혀졌다 그러나 배출 동안 및 스피드 바카라 전 스펙트럼의 차이는 배출이 더 낫다는 것입니다³⁺의 비율은 제안됩니다 더 높고, 배출 (30V) 동안 망간이 더 많이 감소하는 경향이 있다는 사실에 해당합니다 (34V) 이러한 약간의 변화는 단단한 X- 선 흡수 분광법과 같은 측정 방법을 사용하여 감지하기가 어렵다 스피드 바카라중인 모든 망간 (45 V)은 Mn⁴⁺라고 가정하면, 스피드 바카라 전, 스피드 바카라시 및 배출시 스피드 바카라 전 스펙트럼에서 추정 된 평균 망간 원자가는 스피드 바카라하기 전에 Mn³⁶⁺, 배출시, MN³³⁺입니다

이런 식으로, 현재의 방법은 리튬 망간의 양극 전극에서 망간의 산화-레 독해 반응과 지금까지 어려운 망간과 산소 사이의 결합과 MN³⁺및 MN⁴⁺의 비율에 대한 정보를 얻을 수 있습니다

전극 특성을 개선하기위한 요소 대체 및 기타 측정에 대한 개발 지침을 제공하기 위해, 우리는 또한이 방법을 다른 양의 전극 재료에 적용하여 반복 전하 및 방전 특성과 원자 사이의 화학적 결합 사이의 상관 관계를 체계적으로 명확하게 할 것입니다 또한, 우리는 또한이 기술에 의해 얻은 전자 상태에 대한 정보에서 전극 재료의 용량, 잠재력 및 비용 절감을 증가시키기위한 개발 지침을 도출 할 것입니다

◆ 리튬 이온 배터리

컴퓨터 및 휴대 전화와 같은 소형 전자 장치에 사용되는 배터리, 하이브리드 및 전기 자동차, 전해질의 리튬 이온이 양의 전극 (+)과 음성 전극 (-) 사이를 이동하여 (스피드 바카라) (배출) 전기를 쌓을 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 긍정적 인 재료

배터리의 양성 전극 (+)의 반응을 담당하는 재료 리튬 이온 배터리의 양극 전극의 경우, 스피드 바카라 반응은 양성 전극 재료로부터 리튬 이온의 탈착에 해당하고, 배출 반응은 리튬 이온의 양성 전극 재료로의 삽입에 해당한다[참조로 돌아 가기]

◆ 전자 조건

물질을 구성하는 원자에서 전자의 에너지 상태와 분포 전자의 에너지와 어떻게 막히는지는 금속성인지 단열성이 될 수 있는지와 같은 재료의 특성을 결정합니다 재료의 특성을 이해하려면 전자 상태를 검사하는 것이 매우 중요합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 소프트 X- 선 방출 분광법

의료 테스트 등에 사용되는 정상적인 X- 레이보다 낮은 에너지 범위의 빛 (더 긴 파장)을 통과 할 수없는 대기를 통과 할 수 없습니다 소프트 엑스레이가 물질로 조사 될 때, 전자 방출, 방출 및 이온 생성과 같은 다양한 현상이 발생합니다 소프트 X- 선 방출 분광법을 통해 소프트 X- 레이를 물질로 조사하여 생성 된 방출을 측정 할 수 있으며, 각 요소에 대해 전자 상태를 검사 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 유기 전해질

용매로서 에틸렌 탄산염과 같은 유기 용매를 사용한 전해질 수성 용매를 사용하는 전해질보다 더 넓은 전압 범위에서 사용할 수 있으며, 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ Lithium manganate

화학식 limn₂O₄유사하게, 전형적인 캐소드 물질 인 리튬 코발 테이트와 비교할 때, 그것은 코발트 망간보다 저렴한 비용을 특징으로한다[참조로 돌아 가기]

◆ Silent Light

적외선, 자외선 및 X- 레이와 같은 다양한 파장의 빛을 함유 한 얇고 강력한 빛 (전자기 파)은 전자가 빛과 거의 같은 속도로 가속 될 때 생성 될 때 생성 될 때 전자 모그네에 의한 속도로 가속 될 때 생성됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ Spring-8

Spring-8은 Riken Institute의 시설로, Hyogo 현의 Harima Science Park City에 위치한 세계 최고 수준의 Synchrotron 방사선을 생산합니다 Spring-8의 이름은슈퍼 광자 링 -8gev에서 시작되었습니다 Spring-8은 Synchrotron 방사선을 사용하여 기본 연구에서 물리, 화학, 생물학 및 기타 유기체, 나노 기술, 생명 공학 및 산업 사용에 이르기까지 광범위한 연구를 수행합니다[참조로 돌아 가기]

◆ Tokyo University Outstation Bl07LSU

Spring-8에 위치한 도쿄 대학이 소유하고 관리하는 세계적 수준의 소프트 엑스레이 빔 라인 소프트 X- 선 방출 분광계를 포함하여 3 개의 고급 실험 장비가 영구적으로 설치됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 스피드 바카라 및 배출 용량

배터리에서 스피드 바카라 및 방전/제거하여 배터리에 저장할 수있는 전기량 배터리의 각 재료에 대해 패키지로 정의 된 양 또는 양성 및 음극 전극에 대해 정의됩니다 전기 자동차의 범위와 작동 시간의 스마트 폰 및 랩톱과 직접 연결되어 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 스피드 바카라 및 배출 반복성

스피드 바카라 및 방전이 반복 될 때 전극 성능이 얼마나 위험 해지는지를 결정하기 위해 스피드 바카라 및 방전 용량의 변화 테스트는 일반적으로 반복적 인 전하 및 배출 특성으로 사용됩니다 전하 및 배출로 인한 양극 전극 또는 음성 전극 재료에서 결정 구조의 변화는 반복 스피드 바카라 및 배출 특성의 결정 인자 중 하나입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 전환 금속 요소

주기율표의 그룹 3 요소와 그룹 11 요소 사이의 요소는 망간, 철, 코발트, 구리 등이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 단단한 X- 레이

소프트 X- 선 (파장 부족)보다 높은 에너지 범위의 빛을 통과 할 수 있으며 대기를 통과 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ X- 선 흡수 분광법

X- 선이 재료에 조사되는 방법 및 X- 선이 흡수되는 정도 및 각 요소에 대해 전자 상태가 검사됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 전자 볼트

기호 EV로 표시되는 에너지 단위 하나의 전자에 의해 얻어진 운동 에너지는 진공에서 1 볼트의 전압으로 가속되었다[참조로 돌아 가기]

◆ 3D 궤도

망간 및 코발트와 같은 4 기 전이 금속 요소에서 가장 높은 에너지 전자의 항구 궤도 전이 금속 요소의 특성은 3D 궤도에 전자가 어떻게 보관되는지에 의해 결정됩니다[참조로 돌아 가기]