Establishment of in-situ estimation method of lithium accumulated in lithium ion secondary batteries using elastic recoil detection technique

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本研究では、大気雰囲気において液体中のリチウム濃度を約10 nmの深さ分解能で高感度に測定できる反跳粒子検出(ERD)法を用いて、リチウム(Li+)イオン電池の充放電時における電極-液体電解質界面のLi+イオン移動量をその場で測定し、Li+イオン移動機構を解明するとともに、充放電時の電極および電解質内の過渡的なLi蓄積量を定量的に評価する手法を確立することを目的とした。アルミニウム(Al)を集電体、厚さ約107 μmのLiCoO2を正極、Liを負極、LiPF6を液体電解質としたLi+イオン電池(Al/LiCoO2|LiPF6|Li/Al)試料およびポテンショスタットによる電気化学測定を用いて作製した50%充電(SoC 50%)、100%充電(SoC 100%)、50%放電(SoC 50%)および100%放電(SoC 0%)状態のLiCoO2中のLiおよびH濃度について、令和2年度に改良したERD法によるLiおよびH濃度その場分析装置を用いて調べたところ、LiCoO2中のH濃度は、充電によるLi濃度の減少に伴い増加し、放電によるLi濃度の増加に伴い減少することがわかった。次に、第一原理計算を用いて、H導入による欠陥形成エネルギーを求めた結果、HはLiCoO2中の四面体型および八面体型格子間位置およびO空孔位置よりも、Li空孔位置付近に最も安定に占有することがわかった。従って、充電時では、LiPF6電解液に含まれるHはLiCoO2からのLi+イオンの脱離により形成されたLi空孔へ蓄積し、放電時では、LiPF6からLiCoO2へ駆動されたLi＋イオンはLi空孔に蓄積されたHと置換することが判明された。