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SPring-8の高輝度放射光を利用したグリーンエネルギー分野における電池材料開発

  • Battery Material Development in Green Energy Fields using the SPring-8 High Brilliance Synchrotron Radiation
★ 世界最高性能を誇るSPring-8放射光の環境エネルギー開発における高度利用を目指した最新応用技術
★ 二次電池、燃料電池、太陽電池とその触媒の高効率化、高性能化から分析・構造解析・評価までを詳述
★ X線散乱・回折、XAFS両分野における技術の進展も紹介

商品コード: B1110

  • 監修: SPring-8グリーンエネルギー研究会 編 安保正一、杉浦正洽、山川晃
  • 発行日: 2014年2月26日
  • 価格(税込): 8,640 円
  • 体裁: B5判、259ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0928-6

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  • 二次電池 / SOFC / 太陽電池 / X線回析法 / イメージング / XAFS / HAXPES / in-situ測定 / 劣化メカニズム / 触媒

刊行にあたって

現在、エネルギーや環境に関わる材料の開発研究は、地球にやさしく環境に調和したグリーン材料の開発が中心となっている。
 XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) による構造解析では、活性元素周辺の局所構造を明らかにし、触媒の反応活性サイトとその機能を最大限引き出す周辺の原子配列について議論することが、また、in-situ XAFSでは、使用環境下における活性元素の挙動と反応性の関連を議論することが可能となっている。X線イメージングによる電池内部の解析研究では、固体高分子型燃料電池における電解質内の水発生メカニズムが原子レベルで解明されている。X線回折・散乱を用いた研究では、二次電池用材料の結晶構造の変化が電池特性に及ぼす影響についての議論や、太陽電池の表面におけるSi配列と欠陥構造などが電池特性に及ぼす影響を議論することが可能となっている。
 工業先進立国として、世界最高性能の放射光施設、SPring-8を有効に利用して、最先端のグリーンエネルギーに関連する材料の開発研究で世界をリードすることは、私達が現在および未来の社会に大きく貢献できる道である。
 本書は、「SPring-8グリーンエネルギー研究会」で講演された次世代電池(二次電池、燃料電池、太陽電池)にかかわる最新の情報内容に加え、SPring-8で実施・公開された次世代電池にかかわる研究成果と新たにSPring-8で開発された利用技術を広く抽出して、1冊の書としてまとめたものである。今後の、グリーンエネルギーにかかわる材料の開発研究の進展と啓蒙に大いに貢献することを期待している。
                                (本書「まえがき」より抜粋)

著者一覧

安保正一   大阪府立大学
杉浦正洽   日本化学会フェロー
山川晃   (公財)高輝度光科学研究センター
廣沢一郎   (公財)高輝度光科学研究センター
本間徹生   (公財)高輝度光科学研究センター
大坂恵一   (公財)高輝度光科学研究センター
佐藤眞直   (公財)高輝度光科学研究センター
小金澤智之   (公財)高輝度光科学研究センター
梶原堅太郎   (公財)高輝度光科学研究センター
陰地宏   (公財)高輝度光科学研究センター
尾崎哲也   (株)GSユアサ
野中敬正   (株)豊田中央研究所
折笠有基   京都大学
荒井創   京都大学
内本喜晴   京都大学
藪内直明   東京理科大学
山際清史   東京理科大学
駒場慎一   東京理科大学
伊藤孝憲   AGCセイミケミカル(株)
井川直樹   (独)日本原子力研究開発機構
北村尚斗   東京理科大学
井手本康   東京理科大学
矢加部久孝   東京ガス(株)
唯美津木   名古屋大学
笹部崇   名古屋大学
宇高義郎   横浜国立大学
大徳忠史   秋田県立大学
是澤亮   横浜国立大学
出口博史   関西電力(株)
吉田洋之   (一財)電力中央研究所
稲垣亨   関西電力(株)
津久井茂樹   大阪府立大学
大下祥雄   豊田工業大学
高野章弘   富士電機(株)
新船幸二   兵庫県立大学
三木祥平   兵庫県立大学
大東威司   (株)資源総合システム
難波江裕太   東京工業大学
原田慈久   東京大学
尾嶋正治   東京大学
今井英人   (株)日産アーク
岩澤康裕   電気通信大学
永松伸一   電気通信大学
東晃太朗   電気通信大学
丸山純   (地独)大阪市立工業研究所
石原顕光   横浜国立大学
太田健一郎   横浜国立大学
雨澤浩史   東北大学学学

目次

序章 研究開発動向
1   電池分野におけるSPring-8活用状況  
1.1  はじめに
1.2  SPring-8利用状況
1.2.1 電池研究課題数の比較
1.2.2 二次電池
1.2.3 燃料電池
1.2.4 太陽電池
1.3  利用技術分野
1.4  あとがき

第1章 SPring-8放射光を利用した新しい解析手法

1   総説 

2   XAFS解析法 
2.1  はじめに
2.2  XAFS解析法の概要
2.3  XAFS測定方法
2.4  BL14B2におけるXAFS測定の実際
2.5  先端的なXAFS測定法と今後の展望

3   BL19B2におけるハイスループット粉末回折
3.1  はじめに
3.2  BL19B2の粉末回折装置
3.3  大型デバイシェラーカメラのハイスループット化
3.4  ハイスループット化による効果と今後の展望

4   小角X線散乱 
4.1  小角X線散乱とは
4.2  小角X線散乱データの見方
4.3  SPring-8産業利用ビームラインBL19B2の小角X線散乱装置

5   薄膜X線回折・散乱 
5.1  概要
5.2  X線反射率法(X-ray Reflectivity, XRR)
5.2.1 X線反射率法の概要
5.2.2 有機薄膜太陽電池の活性層のX線反射率による評価
5.3  微小角入射X線回折
5.3.1 微小角入射X線回折の概要
5.3.2 微小角入射X線回折測定装置
5.3.3 有機薄膜太陽電池の活性層の微小角入射X線回折による評価
5.4  おわりに

6   X線イメージング 
6.1  はじめに
6.2  原理
6.2.1 X線の吸収
6.2.2 二次元的な投影像(ラジオグラフィー)
6.2.3 CT
6.3  装置
6.3.1 光源
6.3.2 試料部
6.3.3 検出器
6.4  測定

7   硬X線光電子分光(HAXPES) 
7.1  序
7.2  HAXPESの原理および特徴
7.3  測定装置
7.4  試料作製
7.5  測定例
7.5.1 無機デバイス
7.5.2 電池材料
7.6  まとめ

第2章 二次電池

1   ニッケル水素電池の高容量化―La-Mg-Ni系合金の元素置換による局所構造の解明―
1.1  はじめに
1.2  実験手法
1.3  粉末回折による相構造安定化のメカニズムの検討
1.4  XAFS解析による劣化メカニズムの解明
1.5  おわりに

2   Ni系リチウムイオン電池正極材料のXAFS解析 
2.1  はじめに
2.2  実験
2.3  結果と考察
2.4  まとめ

3   放射光その場時間分解測定を用いたリチウムイオン電池正極の相変化機構解明
3.1  はじめに
3.2  LiFePO4中の相変化挙動解析
3.3  LiNi0.5Mn1.5O4電極の非平衡挙動
3.4  まとめ

4   二次元イメージングX線吸収分光法を用いたリチウムイオン電池合剤電極の反応分布解析 
4.1  はじめに
4.2  二次元イメージングX線吸収分光法
4.3  空孔率の異なる合剤電極中の反応分布解析
4.4  まとめ

5   HAXPESを利用したリチウムおよびナトリウムイオン電池の開発 
5.1  はじめに
5.2  X線光電子分光法
5.3  リチウムイオン電池用シリコン系負極の解析
5.4  ナトリウムイオン電池用リン系負極表面被膜の解析
5.5  おわりに

第3章 燃料電池

1   放射光X線、中性子を用いた固体酸化物型燃料電池材料の評価 
1.1  はじめに
1.2  放射光X線
1.3  中性子
1.4  中性子回折による結晶構造解析
1.5  X線吸収スペクトル
1.6  赤外分光
1.7  中性子準弾性散乱
1.8  まとめ

2   リートベルト解析、最大エントロピー法による固体酸化物型燃料電池材料の評価 
2.1  はじめに
2.2  放射光X線
2.3  リートベルト解析
2.4  リートベルト解析の重要性
2.5  微量不純物の検討
2.6  電子密度分布
2.7  まとめ

3   X線応力測定法によるSOFC電解質応力のin-situ測定 
3.1  緒言
3.2  SOFCセルの構成とセルに発生する応力
3.3  実験方法
3.4  実験結果および考察
3.4.1 残留応力の温度依存
3.4.2 単純REDOXサイクル時の残留応力の変化
3.4.3 電気化学的REDOXサイクルによる残留応力の変化
3.5  結論

4   固体高分子形燃料電池MEAの新しい非破壊3次元XAFS分析法 
4.1  緒言
4.2  X線ラミノグラフィーXAFS法

5   固体高分子形燃料電池のイメージング  
5.1  はじめに
5.2  GDL内部の酸素透過量測定手法
5.3  GDL試料について
5.4  SPring-8でのイメージングの概要
5.5  BL20B2ビームラインでの可視化解析例
5.6  BL20XUビームラインでの可視化解析例
5.7  GDL多孔質体内部の含水状態の変化と酸素透過量の同時計測
5.8  撥水材含有量の影響

6   参考資料-中温作動固体酸化物形燃料電池材料の放射光を用いた解析 

第4章  太陽電池

1   ハイブリッド型太陽光・熱利用電池の研究開発
1.1  再生可能エネルギー利用
1.2  作製方法
1.3  太陽電池、熱電材料薄膜の評価
1.3.1 太陽電池薄膜の評価
1.3.2 熱電材料薄膜の評価
1.4  ハイブリッド素子の作製と評価
1.5  結言

2   放射光XANESなどを利用した太陽電池用半導体材料の開発 
2.1  序
2.2  太陽電池の発電原理と変換効率を低下させる要因
2.3  多結晶シリコン中の結晶粒界―鉄複合体の局所解析
2.3.1 放射光を用いた実験:鉄の分布と電子状態
2.3.2 実験結果および考察
2.4  格子不正合系多接合太陽電池用結晶における応力緩和時の欠陥形成のその場観察
2.4.1 格子不整合系太陽電池
2.4.2 実験結果および考察

3   太陽電池用アモルファスシリコン薄膜の電気的および構造的評価 

4   高輝度白色X線を用いた太陽電池用多結晶シリコン基板の評価 
4.1  はじめに
4.2  実験方法
4.3  結果および考察
4.3.1 単結晶シリコン基板を用いた歪検出能の検証
4.3.2 多結晶シリコン基板への応用
4.4  まとめ

5    参考資料-太陽光発電ビジネスの現状と展望- 

第5章 電池における触媒開発

1   カーボンアロイ触媒の開発、そしてその可能性 
1.1  はじめに
1.2  カーボンアロイ触媒の開発動向
1.2.1 研究の経緯
1.2.2 カーボンアロイ触媒プロジェクト
1.2.3 ポリイミドの多段熱処理による高活性触媒の開発
1.3  炭素化プロトコルの探求と放射光分光
1.3.1 炭素化プロトコルの重要性
1.3.2 多段熱処理法の開発と放射光解析
1.4  反応メカニズムに迫る放射光分光
1.5  おわりに

2    In situ XAFSによる燃料電池用触媒の劣化解析 
2.1  はじめに
2.2  固体高分子形燃料電池の触媒層とその劣化
2.3  放射光を用いた電気化学環境下におけるナノ粒子のin situ構造解析
2.4  白金触媒の電気化学的酸化過程のin situリアルタイムXAFS
2.5  酸化プロセスモデルと溶解劣化機構
2.6  白金コバルト合金触媒の酸化過程と耐久性

3   Au@Pt/C(コア-シェル)燃料電池電極触媒の電位依存 in situ XAFS構造解析 
3.1  はじめに
3.2  MEA Pt/C触媒の表面PtO相形成とbiphasic電位依存構造ヒステリシス
3.3  MEA Au@Pt/Cコアシェル触媒の表面再構成とヒステリシス
3.4  おわりに

4   燃料電池正極触媒としての鉄含有炭素材料のXAFS測定による活性点構造解析 
4.1  はじめに
4.2  鉄タンパク質由来の炭素材料における触媒活性点
4.3  窒素含有天然有機化合物・グルコース・鉄塩の混合物由来の炭素材料における触媒活性点
4.4  おわりに

5   表面敏感なX線吸収分光法を用いた、4および5族酸化物をベースとした固体高分子形燃料電池用非白金酸素還元触媒の活性点の解明と触媒設計指針の提示 
5.1  はじめに
5.2  部分酸化したTaC0.52N0.48粉末触媒の活性点の解明
5.3  おわりに

6   in-situ XAFS測定による固体酸化物形燃料電池の電極反応機構解析 
6.1  はじめに
6.2  SOFC電極反応の in situ 分析の重要性
6.3  in situ 硬X線XAFS法を用いたSOFC空気極の材料・反応の解析
6.3.1 緻密薄膜モデル電極を用いた反応律速過程の評価
6.3.2 多孔質電極における電気化学反応サイトの評価
6.4  まとめ
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