リチウムイオン電池内部の温度・応力分布のオペランド計測

平野 辰巳*; 前田 壮宏*; 村田 徹行*; 山木 孝博*; 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(5), p.345 - 353, 2023/10

https://doi.org/10.18957/rr.11.5.345

車載用リチウムイオン二次電池(LIB)のサイクル時の劣化要因として、高い電流レートにおける電池内部の温度上昇、リチウムイオンの正負極間移動にともなう電極の膨張・収縮による応力などが指摘されている。そこで、18650型LIB内部における温度・応力分布を同時に評価した。電流:1Cでの充電時、リチウムイオンの挿入により負極が膨張するため、負極の集電体であるCuは半径方向に圧縮応力が発生する。表面から2mmにおける充電時の半径方向の応力変化は88MPa減少した(圧縮)。一方、放電時において応力変化は98MPa増加し可逆的な変化を示した。高レートな4Cのサイクル充放電により内部温度は表面より10度も高い60度程度まで上昇する現象が確認できた。さらに、表面から6mmにおけるCuに応力が発生しない現象を捉えることに成功した。本結果から、18650型LIB内部における温度・応力分布を同時に評価するオペランド計測技術を確立し、高レートなサイクル充放電が18650LIB中心部の温度上昇の要因であること、および無拘束による電極内周部における膨張収縮がサイクル劣化の要因であることを明らかにした。

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.

scattering length from photoproduction on the proton near the reaction threshold

石川 貴嗣*; 藤村 寿子*; 深澤 宏司*; 橋本 亮*; He, Q.*; 本多 佑記*; 保坂 淳; 岩田 高広*; 甲斐田 俊*; 笠木 治郎太*; et al.

Physical Review C, 101(5), p.052201_1 - 052201_6, 2020/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.101.052201

Photoproduction of the omega meson on the proton has been experimentally studied near the threshold. The total cross sections are determined at incident energies ranging from 1.09 to 1.15 GeV. The 1/2 and 3/2 spin-averaged scattering length and effective range between the CO meson and proton are estimated from the shape of the total cross section as a function of the incident photon energy: = (-0.97 + (0.07 ) fm and = (+2.78 ) + (-0.01 ) fm, resulting in a repulsive force. The real and imaginary parts for and are determined separately for the first time. A small -wave contribution does not affect the obtained values.

Research of the radiation tolerance in space environment of general electronic devices

前田 高広*; 垣見 征孝*; 明石 健二*; 大島 武; 小野田 忍

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.27 - 28, 2012/12

In order to develop a small satellite, the general electronic (Commercial Of The Self: COTS) devices have to be used because of some severe restrictions of resource for installed components. For this reason, it is important to evaluate the reliability of COTS devices. Therefore, the various type of heavy ions have been irradiated to COTS devices. We have evaluated the probability of Single Event Effects (SEEs) in COTS devices. Finally we predicted the occurrence of SEEs when COTS devices are brought to orbit. As a result, we found that COTS devices tested here have enough reliability for the mission of our small satellite.

建屋コンクリートを対象としたクリアランス一括測定法に関する一評価手法の提案(受託研究)

前田 真吾*; 平野 貴弘*; 島田 太郎; 中山 真一

JAEA-Technology 2008-066, 35 Pages, 2008/10

JAEA-Technology-2008-066.pdf:4.83MB

建屋コンクリートなど大きな表面積を有する物体に対するクリアランス測定手法の一つとして、可搬型Ge半導体検出器を用いた一括測定法と呼ばれる方法がある。従来の一括測定法では、表面汚染が均一に分布していることを前提にすることから、表面汚染の均一性を確認するためにサーベイメータ等による全面走査測定等による事前サーベイを必要としている。本報告では、クリアランスレベル検認にかかる表面汚染の均一性に関する基準を満足しつつ、事前サーベイを省略できる方法として、1トンの評価対象に対し最遠地点点線源として評価した放射性核種量を測定単位100kgで除すことにより放射性核種濃度を算出し、クリアランス判定値と比較する方法を提案した。

年代測定と流体包有物調査による紀伊半島南部地域の熱履歴の推定

花室 孝広; 梅田 浩司; 前田 勝彦*

no journal, , 

紀伊半島南部地域の地熱活動に伴うと考えられる熱水変質帯の形成年代を把握するため、K-Ar年代測定,フィッション・トラック年代測定を実施した。また、地熱活動の温度や流体の成分に関する情報を得るため、温泉湧出箇所周辺や鉱床分布地域の変質帯に見られる変質鉱物を対象として流体包有物の均質化温度及び塩濃度測定を併せて実施した。各種年代測定の結果、セリサイトのK-Ar年代は、変質鉱物であるセリサイトが生成した年代を示すものと考えられ、近傍の火成活動との関連が考えられる。アパタイトのフィッション・トラック年代は、堆積後の埋没によるリセット(10Ma前後)に加えて、湯泉地や湯の峰では低温の地熱活動によるリセットと考えられるより若い年代(2.55Ma)を示す結果が得られた。流体包有物調査の結果、鉱脈鉱床の周辺では、中高温(200C),中高塩濃度(1wt%NaCl)の流体の関与が認められる一方で、本宮地域の変質帯である平治川地区では、これらの流体に加えて、低温(180C),低塩濃度(0.5wt%NaCl)の流体の関与も認められた。この低温・低塩濃度の流体は、湯泉地や湯の峰で見られる低温の地熱活動によるものである可能性が考えられる。

Origin of amagmatic hydrothermal solutions inferred from TL, FT and K-Ar dating, and fluid inclusion data; A Case study in the southern part of Kii Peninsula, SW Japan

花室 孝広; 梅田 浩司; 前田 勝彦*

no journal, , 

非火山地帯の地熱活動は、地層処分の安全性を検討するうえで、考慮すべき重要な天然現象と考えられている(例えば、廃棄物安全小委員会、2003)。紀伊半島南部は、中期中新世(約1400万年前)以降、火山活動の痕跡が認められないものの、沸騰泉を伴うような熱水活動が現在でも認められている。これらの熱源は、紀伊半島の地下にフィリピン海プレートが沈み込む際の高温・高圧下での含水鉱物の分解によって生じた高温の流体の寄与が指摘されている。一方、変質帯中の石英のTL年代によると、これらの熱水活動は、数千数万年前に生じたものと考えられている。本研究では、変質岩に含まれる流体包有物(過去の熱水の化石)に着目し、これらの温度,塩濃度,希ガス同位体比等から流体の起源を検討するとともに、TL年代のほか、FT年代,K-Ar年代によって変質年代の推定を試みた。その結果、現在の熱水活動(100C前後)は、少なくとも約600万年前まで遡り、その熱源は地下深部の高温流体との関係が示唆された。以上の結果により、非火山地帯の地熱活動のメカニズムの把握及び周辺の熱影響の評価への見通しが得られるなど、本手法の有効性が示された。

民生用電子部品の宇宙環境における耐放射線性の研究

前田 高広*; 垣見 征孝*; 佐々木 直樹*; 明石 健二*; 大島 武; 小野田 忍

no journal, , 

開発中の50cm級小型衛星(SOCRATES)で使用する予定の民生電子部品の耐放射線性を評価した。具体的な半導体素子は、SOCRATESに搭載予定のFET(トランジスタ), MPU(マイクロプロセッサ), MUX(マルチプレクサ)である。LET(線エネルギー付与)の異なる窒素,ネオン,アルゴン,クリプトンの4線種の重イオンをこれらの半導体素子に照射し、シングルイベント効果のLET依存性を調べた。LET依存性と軌道上での放射線量を考慮して、軌道上でのシングルイベント発生確率を求めた。評価の結果、FET, MPU, MUXは、シングルイベント発生確率が運用期間に対し低く、SOCRATESへの搭載にあたって十分な信頼性が確保できることがわかった。このように、放射線試験を実施することで、小型衛星開発に民生電子部品を利用することができ、リソースの制限を満たしつつ、衛星の信頼性を確保することができるようになった。

ナトリウム冷却型高速炉の原子炉容器内観察・補修技術の開発,9-7; 炉心上部機構の線量率評価

山本 崇裕; 伊藤 敬輔; 伊藤 主税; 前田 茂貴; 伊東 秀明; 関根 隆; 枡井 智彦*

no journal, , 

旧UCS収納キャスクの設計にあたり、QADで炉内の線量率分布を計算し、これを炉内の線量率分布の測定結果で補正することにより旧UCSの表面線量率を評価して、キャスク遮蔽厚の設計裕度を削減させた。本研究では、PSFを用いて旧UCS引き抜き作業時にキャスク表面の線強度分布を測定し、QADによる計算値と比較した。その結果、前述の炉内線量率分布測定結果を考慮すると、キャスク表面の線強度分布計算値と測定値の比は約3と考えられ、高強度に放射化した炉内構造物を線源とする線量率評価と遮蔽設計の妥当性が確認された。

「常陽」炉心上部機構の線量率評価; 光ファイバによる線量率評価手法の開発

山本 崇裕; 伊藤 主税; 前田 茂貴; 伊東 秀明; 関根 隆

no journal, , 

高速実験炉「常陽」では、計測線付実験装置の不具合に起因した燃料交換機能の一部阻害に係るトラブルへの復旧措置の一環として、平成26年に炉心上部機構(UCS)を交換した。ここでは、UCSが交換することを前提に設計されたものではなく、これまでに交換した実績も有していないことを踏まえ、旧UCS撤去に向けた機器設計・作業被ばく量推定等にあたり、UCS表面線量率を点減衰核計算コード(QAD)を用いて算出し、これを原子炉容器内線量率測定における実測値により補正し、評価値とした。本報告では、旧UCSが収納されたキャスク表面の線強度分布について計算値と測定値を比較し、当該評価の精度を検証した。キャスク表面線強度分布の測定には、プラスチックシンチレーション光ファイバ(PSF)検出器を使用した。その結果、計算値と測定値におけるキャスク表面線強度分布が一致すること、また、約11.5のC/Eが得られることを確認した。