リチウムイオン電池の
分析、解析と評価技術　事例集

−劣化、発熱、ガス、内部状態、反応メカニズム−

第1節 レーザー誘起プラズマ分光法を用いたリチウムイオン電池正極のリチウム分布測定
１．レーザー誘起プラズマ分光法
２．LIBS法による正極のリチウム分布の定量分析
　2.1 測定方法
　　2.1.1 LIBS装置
　　2.1.2 測定試料
　2.2 測定結果
　　2.2.1 リチウムの定量分析のための測定条件
　　2.2.2 充放電後の正極のリチウム分布測定

第2節 三元系正極活物質の劣化挙動解析
１．試作セルによる劣化試験後の電池特性
　1.1 試作LIBの材料構成と劣化条件
　1.2 劣化試験前後の電池特性
２．分析結果とNi挙動からの劣化の考察
　2.1 XAFS分析による劣化前後の価数評価（Ni_ K殻吸収端、Ni_ L3殻吸収端）
　2.2 STEM分析による劣化前後の微視的組織・局所構造の観察
３．分析結果とMn挙動からの劣化の考察
　3.1 XAFS分析による劣化前後の価数評価（Mn_ K殻吸収端、Mn_ L3殻吸収端）
　3.2 STEM分析によるNMC532の微視的組織・局所構造の観察
４．XAFS分析結果（劣化前後の価数評価（Co_ K殻吸収端、Co_ L3殻吸収端））とCo挙動からの劣化の考察
５．NMC532の劣化における考察のまとめ

第3節 第一原理計算による不規則岩塩型リチウムイオン電池正極材料の電子状態の解析
１．不規則岩塩型リチウムイオン電池正極材料
２．構造モデリングと第一原理計算
３．不規則岩塩型酸化物正極の構造安定性評価
４．不規則岩塩型Li2MTiO4正極の電圧-容量特性
５．充放電過程における酸素脱離反応の解析
６．充放電過程における電子状態変化の解析
７．正極特性に対する遷移金属元素効果：電池材料の理論設計

第4節 オペランド軟X線発光分光を用いたリチウムイオン電池正極材料の電子状態解析
１．電極材料の電子状態解析と軟X線分光
　1.1 LiFePO4のex situ XES
　1.2 多重項計算によるスペクトルの解析
２．LiMn2O4のオペランド軟X線発光分光
　2.1 オペランドセルの開発

第5節 リチウム過剰系正極材料における酸素脱離現象の評価とメカニズム解明
１．研究背景　〜酸素脱離を評価する意義〜
２．酸素脱離の評価方法
　2.1 熱重量測定
　2.2 クーロン滴定
３．結果と考察
　3.1 Li1.2Mn0.6Ni0.2O2の酸素脱離挙動
　3.2 酸素脱離に伴う電荷補償機構
　3.3 欠陥化学に基づいたLi1.2Mn0.6Ni0.2O2の酸素空孔生成機構の解析

第6節 放射光X線と中性子線を用いた鉄系Li過剰層状正極の充放電挙動解析
１．Li過剰層状正極の充放電特性
２．放射光X線による電子状態分析
　2.1 X線吸収分光
　2.2 軟X線吸収分光
３．メスバウアー分光分析
４．中性子回折法による正極の構造解析
５．充放電時の電荷補償メカニズムと構造変化

第7節 リチウムイオン電池用正極膜の充放電による劣化メカニズムの解明
１．LiMn2O4正極膜の微細構造と電池特性
　1.1 LiMn2O4正極配向膜の作製
　1.2 LiMn2O4正極膜のナノ構造解析
　1.3 LiMn2O4正極膜の充放電に伴うナノ構造変化
２．LiCoPO4正極膜の微細構造と電池特性
　2.1 LiCoPO4正極膜の作製
　2.2 LiCoPO4正極膜のナノ構造解析
　2.3 LiCoPO4正極膜表面の充放電に伴う原子構造変化

第8節 第一原理計算によるLiNi0.5Mn1.5O4リチウムイオン正極界面でのEC電解液の反応機構解析
１．計算手法と計算モデル
２．LNMO界面へのEC1分子の吸着構造
３．第一原理分子動力学計算による正極・電解液界面構造　
４．化学反応計算

第9節 LiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体の長期サイクル充放電機構の解明
１．実験方法
　1.1 LiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体の作製
　1.2 電気化学試験
　1.3 物性および構造解析
２．LiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体のサイクル特性向上のメカニズム
　2.1 LiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体の構造
　2.2 動作電位制御によるLiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体の電解液分解への影響
　2.3 動作電位制御によるLiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体の結晶構造への影響
　2.4 LiCo0.8Fe0.2PO4/MWCNT複合体のサイクル特性向上のメカニズム

第10節 次世代リチウム二次電池用硫黄系正極材料の構造解析
１．有機硫黄材料の構造解析

第1節 室温イオン液体中におけるリチウムイオン電池用黒鉛系負極の電気化学的挙動の解明
１．天然黒鉛電極の評価方法
２．室温イオン液体中における天然黒鉛電極の電気化学的挙動の解析

第2節 リチウム挿入グラファイト物質の緩和ステージ解析
１．緩和解析
２．実験手法
　2.1 充放電緩和実験
　2.2 一次元Rietveld解析
３．結果と考察
　3.1 リチウム挿入後の緩和挙動
　3.2 放電時の緩和挙動

第3節 黒鉛／SiO混合負極を用いたリチウムイオン電池の劣化要因別解析
１．不活性雰囲気でのLIB解体分析
　1.1 分析における試料の取り扱いについて
　1.2 劣化要因別手法
２．黒鉛/SiO負極を用いた試作LIBのサイクル試験劣化要因別解析事例
　2.1 導電パス不良の解析
　2.2 活物質の劣化解析
　　2.2.1 断面SEM/EDSによる元素分布分析
　　2.2.2 セルの内部ガス成分分析
　　2.2.3 3D-SEMおよび画像解析によるSiOの変質領域の定量評価
　　2.2.4 STEM-EDX、EELESによるSiOの微細構造解析
　2.3 SEI の生成
　　2.3.1 表面分析によるSEIの構造解析
　　2.3.2 抽出分析によるSEIの組成分析

第4節 シリコン系負極への表面修飾・改質技術とその特性解析
１．難黒鉛化性炭素繊維／シリコン膜／熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　1.1 試料の合成、特性評価と条件
　1.2 構造、電気化学的特性の解析
２．天然黒鉛粒子／シリコン膜／熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　2.1 試料の合成、特性評価と条件
　2.2 構造、電気化学的特性の解析
３.シリコンナノ粒子／熱分解炭素膜からなる複合負極材料の合成と評価
　3.1 試料の合成、特性評価と条件
　3.2 構造、電気化学的特性の解析

第5節 シリコン切粉負極の反応メカニズム解明と劣化の抑制
１．シリコン切粉の発生
２．シリコン切粉電極の作製
３．シリコン切粉電極の充放電特性と反応メカニズム
４．シリコン切粉とカーボンの複合体
　4.1 炭化水素ガスを用いたシリコン切粉表面のカーボンコート
　4.2 結晶性炭素化合物を用いたシリコン切粉の内包化

第6節 薄膜Si負極における被膜形成過程のin-situ AFM観察と解析
１．原子間力顕微鏡
２．電気化学測定連動AFM観察
３．AFM観察用Si電極
４．in-situ AFMによるSi薄膜電極上の被膜観察

第1節 リチウムイオン電池構成材料のインピーダンス測定法
１．電池材料の分類
２．インピーダンスの実部と熱損失　−電解質の導電率−
３．インピーダンスの虚部　−誘電率−
４．電圧と電流、電池の内部抵抗とインピーダンス
５．電圧と電気量、電池の静電容量
６．交流インピーダンス
７．実際の等価回路
８．固体、液体の極性の評価
９．ポットライフの管理
１０．電極の乾燥状態の管理

第2節 Si負極向けバインダーの開発および電極膨張評価
１．単層ラミネート型フルセルのin-situ電極膨張評価
２．バインダー種による電極膨張およびサイクル特性の比較
３．膨張抑制のためのバインダー設計

第3節 電極合剤中における各材料の分散状態の解析
１．リチウムイオン電池の電極の構成
２．前処理および測定手法について
　2.1 概要
　2.2 Arイオンビーム加工
　2.3 FE-SEMおよびFE-EPMA
３．合剤中の各材料の分散状態観察
　3.1 電極サンプリングおよび観察条件
　3.2 正極表面および断面における各材料の分散状態
　　3.2.1 表面観察結果
　　3.2.2 断面観察結果
　3.3 負極表面および断面における各材料の分散状態
　　3.3.1 表面観察結果
　　3.3.2 断面観察結果

第4節 モンテカルロシミュレーションによる高濃度電解液のイオン輸送機構の解明
１．高濃度電解液のモデル化
　1.1 擬格子モデルを用いた高濃度電解液の配置モデル
　1.2 粒子間相互作用
　1.3 粒子移動モデル
　1.4 モンテカルロシミュレーション
　1.5 エネルギーパラメーターの実際の値
　1.6 比伝導度
　1.7 粘度
　1.8 長距離相互作用の考慮
２．シミュレーション結果
　2.1 比伝導度
　2.2 粘度

第5節 リチウムイオン電池の電極/電解質の反応解析とその場観察
１．モデル界面作成ーエピタキシャル電極
２．放射光を用いた表界面の観察手法
　2.1 X線/中性子反射率測定
　2.2 表面X線回折測定
　2.3 X線分光法
３．モデル電極を用いた表界面解析の実際
　3.1 LiMn2O4電極への修飾効果
　3.2 Li2RuO3電極反応の結晶方位依存性
４．今後の展開

第6節 原子間力顕微鏡 (AFM) を用いたイオン液体/固体界面構造分析
１．原子間力顕微鏡 (Atomic Force microscopy; AFM)
２．音叉型水晶振動子センサを用いた液中AFM
３．qPlusセンサを用いた電気化学AFMとリチウムイオン電池への応用

第2節 リチウムイオン電池ガスの発生メカニズムと成分分析
１．リチウムイオン電池の電気化学
２．電池（セル）の構造
３．発生するガスの種類
４．ガス発生（１）正・負極材
５．ガス発生（２）過充電、過放電
６．フッ化水素酸HF
７．安全性、同試験方法とガス発生

第3節 リチウムイオン電池のリアルタイム観察技術と金属リチウム析出、電池内反応の計測
１．背景　−なぜリアルタイム計測が必要か−
２．測定の原理
　2.1 黒鉛の反応と色変化
　2.2 観察用セルの構成
３．充放電反応分布観察
　3.1 動画観察
　3.2 反応分布解析
４．Li集中とLi析出
　4.1 Li析出の形状
　4.2 Li析出を引き起こすLi偏在
５．色変化しない電極を見る
　5.1 体積変化の計測
　5.2 反応分布の測定例

第4節 リチウムイオン電池寿命評価のための高精度充放電容量測定法の開発
１．計測システムの開発
　1.1 ハード面の設計
　1.2 ソフト面の設計
　1.3 試験電池の環境温度の影響と測定データの取り扱い
　1.4 測定データの評価
２．高精度充放電容量測定法による電池の特性解析例
　2.1 容量減少要因の分離と各種試験条件の違いによる比較
　2.2 計測システムを利用したフロート試験

第5節 リチウムイオン二次電池の安全性試験シミュレーション
１．安全性試験シミュレーションとは
２．釘刺し短絡試験のシミュレーション
　2.1 釘刺し短絡モデル
　2.2 3D温度-2D電流-1D充放電トリブリッドモデル
　2.3 計算例
３．モジュールの延焼シミュレーション
　3.1 モジュール延焼モデル
　3.2 計算例
４．圧縮試験シミュレーションのマルチスケール解析
　4.1 計算方法
　4.2 計算結果例

第6節 リチウムイオン二次電池の熱暴走メカニズムと評価技術
１．ARC試験
２．DSC試験
３．セパレータのメルトダウン試験
４．テルミット反応試験
５．釘刺し安全性試験
　5.1 セパレータ
　5.2 電解液添加剤
　5.3 負極

第7節 リチウムイオン電池の熱シミュレーションと発熱挙動評価
１．熱シミュレーション条件と実測試験
２．パラメータ計測
３．パラメータ計測
４．熱シミュレーションの結果とその検証
５．大型電池の熱シミュレーション

第8節 鉄道車両駆動用リチウムイオン電池の簡便な温度上昇推定手法
１．鉄道車両への蓄電池搭載事例
２．電池温度上昇推定の必要性
３．温度上昇推定の対象とした蓄電池電車
４．熱回路網法の概要
５．開放型蓄電池箱における推定例4)
　5.1 蓄電池箱の放熱構造と構築した熱モデル
　5.2 温度上昇の推定精度検証
６．密閉型蓄電池箱における推定例
　6.1 蓄電池箱の放熱構造と構築した熱モデル
　6.2 温度上昇の推定精度検証
７．構築した熱モデルの活用方法と留意点

第9節 中性子線を用いた充放電時リチウムイオン電池の内部挙動の解析
１．中性子回折の利点
２．パルス中性子回折データを用いた構造解析
３. 最新パルス中性子回折装置を利用したオペランド中性子回折

第10節 高エネルギーX線コンプトン散乱法を用いたリチウム二次電池電極内部の非破壊定量分析
１．コンプトン散乱法の特徴と測定原理
２．実験方法
　2.1 コンプトン散乱実験装置
　2.2 エネルギースペクトルのラインシェイプ(Sパラメータ)解析法
３．実験結果
　3.1 Sパラメータで見るVL2020リチウム二次電池の内部構造
　3.2 Sパラメータによるリチウム反応分布のオペランド測定
　3.3 充放電に伴う電極内リチウム組成の定量分析

第11節 X線CT技術によるリチウムイオン電池の非破壊検査
１．各種電池に対する非破壊検査（透視装置、CT装置）結果
２．デジタルエンジニアリング事例
３．試験電池に対する熱サイクス試験による内部状態の変化状態

◇第５章　リチウムイオン電池内部の状態推定と劣化診断◇

第2節 蓄電池内部　-非破壊電流密度分布映像化技術-
１．蓄電池の内部状態と漏洩磁場計測
２．磁場電流逆問題　-解析的な解法に関して-
　2.1 自由空間における磁場再構成
　2.2 蓄電池における磁場電流再構成
３．計測方法、装置技術
４．蓄電池内部短絡箇所の映像化
５．電子部品の非破壊検査の事例

第3節 急速充電器のログデータによるEV電池の状態分析
１．ログデータ取得の前提
２．ログデータの内容
　2.1 急速充電時にデータを取得する仕組み
　2.2 利用するデータ
３．ログデータの分析結果
　3.1 ユーザーの充電行動の傾向
　3.2 充電時の電圧・電流・SOCの推移

第4節 リチウムイオン電池の状態推定技術と蓄電システムの効率的運用への応用
１．蓄電システムの概要
２．蓄電システムの課題と現状の対策
３．オンライン電池状態推定技術による付加価値
４．従来のリチウムイオン電池の状態推定技術と課題
５．微分特性に基づく電池特性モデルによる電池状態推定技術
６．モジュラーネットワーク型自己組織化マップによる電池状態推定技術

第1節 全固体電池の評価法の開発
１．全固体LIBの魅力と課題
２．固体電解質材料
３．全固体LIBの試作方法
４．全固体LIB用の評価法の開発
　4.1 参照電極を用いた3極セル評価
　4.2 抵抗分離
　4.3 昇温時の発熱挙動
　4.4 圧力依存性の評価
　4.5 全固体LIBの膨張収縮
５．酸化物系全固体LIBの評価

第2節 全固体リチウムイオン電池の充電時におけるリチウムイオン移動機構
１．全固体Li+イオン二次電池試料の作製
２．ERD法によるLi+イオン挙動分析
３．充電時におけるLi+イオン移動量の評価
４．ERD法を用いたLi濃度測定

第3節 X線CTR散乱法による固体電解質/電極界面の構造解析と界面抵抗低減の指針
１．X線CTR散乱法
　1.1 特徴
　1.2 LiCoO2正極薄膜の構造解析
２．全真空プロセスによる薄膜型全固体電池の作製・評価
３．電解質/電極界面抵抗の起源解明
　3.1 交流インピーダンス測定による界面抵抗の評価
　3.2 X線CTR散乱法による電解質/電極界面の構造評価
　3.3 界面抵抗を低減する指針
４．電池界面構造のオペランド計測への展開：X線CTR散乱測定の高速化

第4節 X線光電子分光法を用いた全固体電池の固/固界面・表面解析
１．X線光電子分光法
　1.1 X線光電子分光法の原理
　1.2 定性・定量分析・化学状態分析
　1.3 帯電補正　
　1.4 深さ方向分析　
　1.5 試料調整法
２．硬X線光電子分光(HAXPES)
　2.1 HAXPESについて
　2.2 HAXPES角度分解法による深さ方向分析
３．全固体電池材料評価への応用
　3.1 XPSを用いた全固体電池用正極材料の評価
　3.2 HAXPESを用いた電池材料評価

第5節 オペランド電子顕微鏡技術を用いた全固体リチウムイオン電池の反応解析
１．全固体リチウムイオン電池の作製とオペランド計測機構
２．オペランドSTEM-EELSによるLiイオン濃度分布の動的観察
３．LiCoO2正極内Coイオンの電子状態解析
４．電気化学的不活性層の特定

第6節 硬X線光電子分光法を用いた全固体リチウムイオン電池のオペランド計測技術
１．光電子分光法を用いたオペランド計測技術
２．オペランド硬X線光電子分光法を用いたLiCoO2モデル電池の計測
　2.1 装置構成
　2.2 LiCoO2モデル電池の作製と充放電特性
　2.3 結果と考察
　　2.3.1 集電体・固体電解質の電子状態変化
　　2.3.2 正極材料の電子状態変化

第7節 その場断面KPFM法を用いた全固体型リチウムイオン電池の内部電位計測
１．全固体電池のオペランド断面計測
２．手法
　2.1 全固体電池試料
　2.2 デバイスの断面化プロセス
　2.3 KPFMの説明
３．固体電池断面の電位計測
　3.1 充電前後の複合正極中の電位分布
４．電位とLiの換算
　4.1 Nernst式
　4.2 Li計測
　4.3 空間電荷層評価
５．デバイスの解析例
　5.1 デバイスの動作

第8節 全固体リチウム電池正極複合体の熱安定性評価と発熱反応要因
１．硫化物型全固体電池の開発に向けて
　1.1 硫化物系ガラス電解質のTEM観察手法
２．全固体リチウム電池電極複合体の熱安定性評価
　2.1 NMC正極層におけるLPSガラス電解質の結晶化挙動
　2.2 NMC正極層中で生じる化学反応過程と発熱反応

第1節 リチウム空気電池における反応中のダイナミクス観察
１．リチウム空気(Li-O2)電池の動作原理と反応メカニズム
２．真空中におけるリチウム酸化過程のオペランド観察
３．液体セルTEMを用いた電解液中 Li-O2 電池のオペランド観察
　3.1 過電圧の大きな条件下でのLi-O2 電気化学反応
　3.2 低反応レートでのLi-O2 電気化学反応
　3.3 可溶性酸化メディエーターによるLi-O2 電気化学反応

第2節 リチウム空気電池における陽極生成物分解過程のシミュレーション
１．リチウム空気電池の反応
２．計算方法
３．結果と考察
　3.1 微小クラスター単独での分解挙動
　3.2 グラファイト表面における分解挙動
　　3.2.1 (001)面における分解挙動
　　3.2.2 (100)面における分解挙動
　　3.2.3 末端構造における分解挙動
　　3.2.4 各表面構造における吸着エネルギー
　　3.2.5 (001)面におけるLi2O2の充電電圧

第3節 PGSE-NMR法を用いたLi空気電池用グライム系電解液の物性解析
１．Li空気電池用電解液とイオン輸送解析
　1.1 Li空気電池の仕組みと電解液開発
　1.2 グライム系電解液
　1.3 イオン輸送解析におけるPGSE-NMR法
２．PGSE-NMR法を中心としたイオン輸送解析の実際
　2.1 電解液物性の古典的評価法とPGSE-NMR法
　　2.1.1 イオン導電率と粘度
　　2.1.2 自己拡散係数Dとイオン導電率との相関性
　　2.1.3 ワルデンプロットと見かけの拡散係数（Li塩解離の評価）
　　2.1.4 輸率と拡散半径の解析
　2.2 分光法や計算シミュレーションとの併用
３．新規電解液開発のための設計指針の提案

第4節 固体NMRによるナトリウムイオン電池電極材料の解析
１．正極材料
　1.1 Mn系材料
　1.2 その他の正極材料
２．負極材料
　2.1 ハードカーボン
　2.2 黒鉛
　2.3 その他負極（金属，リン，MXene等）

第5節 Naイオン二次電池用高濃度電解液におけるイオン拡散機構の理論的解析
１．種々のMD法とDC-DFTB-MD法の特徴
２．シミュレーション条件
３．結果と考察
　3.1 溶液構造
　3.2 キャリアイオン拡散

第6節 プルシャンブルー類似体の特性とその評価
１．ナトリウムイオン二次電池
　1.1 ナトリウムイオン二次電池とは
　1.2 プルシャンブルー類似体とは
　1.3 電池材料としてのプルシャンブルー類似体
２．プルシャンブルー類似体の合成
　2.1 粉末の合成方法
　2.2 薄膜の作成方法
　2.3 薄膜電極の利点
３．プルシャンブルー類似体薄膜の電気化学特性
　3.1 放電曲線
　3.2 酸化還元プロセスの同定
　3.3 ナトリウムイオンの拡散係数
４．マンガンプルシャンブルー類似体の性能向上への試み
　4.1 マンガンプルシャンブルー類似体の利点
　4.2 鉄濃度の制御
　4.3 グルコース熱処理
　4.4 元素部分置換
　4.5 高容量プルシャンブルー類似体

第7節 マグネシウム二次電池用負極系の開発と反応解析
１．Mg金属負極に適した電解液系
　1.1 多量体系
　1.2 解離系
　1.3 その他の解離系
２．正極反応に適した電解液系