In-operando measurement of internal temperature and stress in lithium-ion batteries

平野 辰巳*; 前田 壮宏*; 村田 哲之*; 山木 孝弘*; 松原 英一郎*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 安田 良*; 高松 大郊*

SPring-8/SACLA利用研究成果集(インターネット), 11(1), p.49 - 57, 2023/02

https://doi.org/10.18957/rr.11.1.49

The temperature rise due to high current/power operations and stress caused by the expansion or contraction of electrodes by lithium (de)-intercalation is known to be a degradation factor in lithium-ion batteries (LIBs). Therefore, in this study, a new technique is proposed to simultaneously measure the internal temperature and stress in the 18650-type LIB during its operation. The operando measurement involved retaining a constant gage volume using rotating spiral slits, obtaining X-ray diffraction images using a highly sensitive two-dimensional detector, and employing the sin method to separate the stress and change in temperature. During the charging process, at the 1C current rate, the anode expansion, owing to the lithium intercalation, induced the radial compressive stress in the Cu anode collector. The radial stress changes of the Cu anode collector were -31 MPa (compression) and 44 MPa (tensile) during the 1C charge and discharge processes, respectively. Moreover, the internal temperature, which was higher than the surface temperature, was calculated by considering the radial stress change during the battery operation. During the 4C cycle, the surface and internal temperatures rose by 26 degree and 42 degree, respectively. The results indicate that the internal temperature and stress in the 18650-LIB were successfully measured during battery operation.

珪質泥岩(稚内層)を対象とした多孔質弾性パラメータ取得試験

青木 智幸*; 谷 卓也*; 坂井 一雄*; 古賀 快尚*; 青柳 和平; 石井 英一

JAEA-Research 2020-002, 83 Pages, 2020/06

JAEA-Research-2020-002.pdf:8.25MB
JAEA-Research-2020-002-appendix(CD-ROM).zip:6.63MB

日本原子力研究開発機構は、新第三紀堆積軟岩を対象とした高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する研究開発を目的として、北海道天塩郡幌延町において幌延深地層研究計画を進めている。幌延深地層研究所周辺の地質は、珪藻質泥岩の声問層や珪質泥岩の稚内層で構成され、どちらも珪藻化石を多量に含んでいる。これらの岩石は高い空隙率と低い透水性を示すことから、多孔質弾性論に基づく岩盤挙動の検討が重要であると考えられる。しかしながら、幌延深地層研究所周辺に特徴的な珪藻質泥岩や硬質頁岩については、低透水性であるという岩石の特徴や試験時の制御が容易ではないこと等を要因に、多孔質弾性パラメータの測定実績は多いと言えない状況である。そこで、珪質泥岩(稚内層)を対象として、多孔質弾性パラメータの測定実績を蓄積し、既往の研究で示唆されている拘束圧に対する依存性を確認することを目的として、多孔質弾性パラメータを取得するための岩石三軸試験を実施した。その結果、多孔質弾性パラメータのうち、排水体積弾性係数は拘束圧の増加に伴い大きくなる関係性が確認された。一方、Biot-Wills係数およびSkemptonの間隙水圧係数は、拘束圧の増加に伴い小さくなる傾向が確認された。また、岩石供試体の葉理方向によって拘束圧依存の程度が若干異なることが示唆された。

Design and verification of support system for underground excavations under anisotropic stress conditions

本島 貴之*; 藤田 朝雄; 青柳 和平; 白瀬 光泰*; 名合 牧人*

Proceedings of 7th International Symposium on In-situ Rock Stress (RS 2016) (Internet), 9 Pages, 2016/05

This study addresses and demonstrates the economic support design scheme considering in-situ stress orientation and excavation direction, based on the work carried out in the Horonobe Underground Research Laboratory (URL) project. In the URL, the tunnel at the 350 m level is laid out in a loop. In construction of a loop tunnel in a rock mass under anisotropic in situ stress conditions, the in situ stress orientation and the excavation direction are expected to affect the convergence associated with the excavation-induced stress redistribution. This suggests that it is possible to achieve economic optimization by selecting a tunnel layout, in which only a small displacement and stress are allowed, based on in-situ stress orientation obtained from the surface investigation. Therefore, in this study, a comparison between the predicted convergence used for the support design and the measured convergence during excavation was conducted in order to verify the validity of the convergence predicted from the orientation and magnitude of the in-situ stress obtained from the surface based investigation. The comparison results indicated a positive correlation between the predicted and the measured convergence. These results suggest the validity and reliability of the in-situ stress obtained from the surface investigation and the support design using the in situ stress data.

幌延深地層研究センターの250m小型試錐座(南)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-011, 182 Pages, 2015/09

JAEA-Data-Code-2015-011.pdf:33.41MB
JAEA-Data-Code-2015-011-appendix(CD-ROM).zip:41.95MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、250m小型試錐座(南)から直径76mm、長さ20mのボーリング孔である10-E250-M01孔(水平)、10-E250-M02孔(水平)および10-E250-M03孔(傾斜)を掘削し、水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。10-E250-M01孔では、ボーリング孔まわりの応力集中によって生じたブレイクアウトと考えられる連続的な破壊が孔壁に沿って認められた。ブレイクアウトの発生位置は、初期地圧によるボーリング孔まわりの応力集中を反映した孔壁の応力状態によって主に支配されるので、初期地圧の評価に利用することができる。そこで、3本のボーリング孔の31深度でおこなった水圧破砕試験のうち、16深度で測定されたき裂に作用する法線応力および10-E250-M01孔の3深度で測定されたボアホールブレイクアウトの破壊中央位置から初期地圧を評価した。調査地点の初期地圧状態は、最大主応力は方向がほぼEW方向からENE方向で水平に近いと評価され、その値は3.97MPaであった。この最大主応力の方向は、10-E250-M01孔で生じたブレイクアウトの位置および10-E250-M03孔で生じた縦き裂の方向から考えて合理的であった。

X線及び中性子回折法による残留応力測定技術

鈴木 裕士

熱処理, 46(1), p.11 - 18, 2006/02

http://ci.nii.ac.jp/naid/10017314187

X線回折法による非破壊応力測定技術は、ひずみゲージなどの機械的計測法に代わる測定技術として、工業分野から研究開発分野に至るまで、さまざまな分野に応用されている。最近では、放射光から得られる高エネルギーX線や中性子線を用いた新しい応力測定技術が開発され、材料表面直下や材料深部など、実験室系では測定が困難であった領域・条件における残留応力評価が可能になっている。本解説では、これら特性X線,高エネルギーX線,中性子線による残留応力測定技術について、その基本原理と幾つかの応用例について解説した。

格子定数の不要な中性子応力測定法の実用材料への応用

鈴木 裕士; 盛合 敦; 皆川 宣明*; 森井 幸生

材料, 54(3), p.339 - 345, 2005/03

https://doi.org/10.2472/jsms.54.339

中性子応力測定の従来法では、格子ひずみを計算するために、無ひずみ状態の格子定数を正確に把握する必要がある。著者らは、粉末や焼なまし試料などの標準試料を用いて測定した格子定数を用いることなく、三軸残留応力を評価できる中性子応力測定法を開発した。本研究では、この提案した方法を用いて溶接材の残留応力分布を測定した。まず始めに、溶接材料から切り出した小片試料を用いて、溶接材料の格子定数分布を測定した。その結果、HAZ部(熱影響部)に生じたマルテンサイト変態のために、溶接部近傍において格子定数が大きくなる傾向が確認された。提案した方法により評価した格子定数分布もまた、溶接部近傍において大きくなる傾向を示し、また、格子定数の絶対値は、小片試料のそれとほとんど同じであった。したがって、格子定数の分布が存在するような材料であっても、提案した方法を用いることで、格子定数を推定できると考えられる。従来法及び提案した方法により残留応力分布を評価した。その結果、提案した方法により決定した残留応力分布は、従来法により求めた残留応力分布とほとんど同じであった。したがって、提案した方法は、複雑な残留応力状態を有する材料においても、残留応力分布を正確に決定できると考えられる。

Thermal residual stresses in ceramic composites measured by neutron diffraction

秋庭 義明*; 田中 啓介*; 皆川 宣明; 森井 幸生

Materials Science Research International, Special Technical Publication, 1, p.427 - 430, 2001/05

アルミナを基材として、酸化ジルコニウムを分級物として製作したAlO/ZrO及び炭化シリコンを分級物としたAlO/SiCは、セラミックス複合材として知られている。これらは製作過程で熱応力が残留する。各材料関の応力を中性子回折により測定した。各相関応力は、Zr(202),AlO(113),AlO(116),SiC(220),及びSiC(311)の中性子回折測定結果から確定した。その結果、AlO/ZrOの複合材での残留応力は、アルミナ相で圧縮、酸化ジルコニウム相で引張であることがわかった。一方、AlO/SiCでは、アルミナ相での残留応力は引張りでありSiC分級物の容積により増大することがわかった。これは、Eshelbyの含有モデル理論による予測と一致した。

Internal stresses of pearlitic steel monitored by in-situ neutron diffraction during phase transformation and thermal aging

諸岡 聡; 川崎 卓郎; Harjo, S.; 中田 伸生*; 塚田 祐貴*

no journal, , 

Hierarchical microstructure of pearlite and martensite in steel is caused by internal stress due to phase transformation. If internal stress can be quantitatively evaluated and controlled, new microstructure control technology will be created. However, internal stress due to eutectoid transformation is not easy to measure because thermal stress and transformation stress are superimposed. The purpose of this study is to quantitatively evaluate the internal stress evolved from pearlitic transformation by In-situ neutron diffraction technique. A pearlitic steel of 0.8C-1.5Mn wt.% was used in this study, and the following thermal process was performed; the solution heat treatment at 1323K for 1.8ks followed by immediate the isothermal heat treatment at 873K for 1.8 ks to obtain a predominantly pearlitic structure included lamellar ferrite and cementite. The austenitic-to-pearlitic transformation during the thermal process was monitored with a TAKUMI neutron diffractometer at J-PARC-MLF. The Rietveld refinements of diffraction patterns were performed using Z-Rietveld software to track the phase fractions and the lattice parameters. The elastic strains state of the ferrite and the austenite phases at 873K were observed from the evolutions of the lattice constants of ferrite and the austenite during pearlitic transformation. In particular, the cubical expansion during the transformation derived the hydrostatic pressure and resulted a compressive elastic strain in ferrite. On the other hand, the elastic strains state in cementite that was predicted by an amount of internal stress relaxation during thermal aging after pearlitic transformation, was approximately -0.28%. These results show that internal stresses during transformation can be quantitatively evaluated using in-situ neutron diffraction method.