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.

「ふげん」燃料被覆管を用いた人工海水浸漬試験及び強度特性評価

山県 一郎; 林 長宏; 益子 真一*; 佐々木 新治; 井上 賢紀; 山下 真一郎; 前田 宏治

JAEA-Testing 2013-004, 23 Pages, 2013/11

JAEA-Testing-2013-004.pdf:8.59MB

東日本大震災に伴う東京電力福島第一原子力発電所の事故において、使用済燃料プールに保管されていた使用済燃料は、瓦礫の落下・混入や海水注入等、通常の運転時ではあり得ない環境に晒された。使用済燃料プール中の燃料集合体の健全性や、共用プール移送後の長期間保管における健全性の評価に資するため、新型転換炉「ふげん」にて使用されたジルカロイ-2燃料被覆管を用い、使用済燃料プールの模擬水として2倍に希釈した人工海水を用いた、液温80C、浸漬時間約336時間の浸漬試験を実施した。得られた主な結果は以下の通りであり、本試験条件において照射済みジルカロイ-2燃料被覆管への人工海水浸漬による機械的特性への影響はなく、顕著な腐食も生じないことを確認した。(1)浸漬前後の試料表面の外観に明確な変化は見られず、試料外表面近傍の酸化層等においても明確な変化は見られず、浸漬試験による顕著な表面腐食の進行はない。(2)引張強さ及び破断伸びは浸漬前後で有意な変化はなく、浸漬試験による機械的特性へ有意な影響はない。(3)照射済み試料を遠隔操作で浸漬試験及び引張試験を行うための手法を確立した。

Development of a compact high-spatiotemporal-quality Yb:YAG thin-disk laser system using an optical parametric preamplifier

桐山 博光; 鈴木 将之*; 大東 出; 岡田 大; 越智 義浩; 佐藤 方俊*; 玉置 善紀*; 吉井 健裕*; 前田 純也*; 松岡 伸一*; et al.

レーザー研究, 40(2), p.143 - 145, 2012/02

http://ci.nii.ac.jp/naid/10030152656

光パラメトリックチャープパルス増幅(OPCPA)をベースにした非線形前置増幅器を用いた小型,高時間空間品質,高強度半導体レーザー励起Yb:YAG薄型ディスクチャープパルス増幅器の開発を行った。ストレッチャーでパルス幅を伸張されたチャープパルスは、OPCPA前置増幅器、及びYb:YAG主増幅器において、10Hzの繰り返し動作で100mJにまで増幅される。集光性能は、横方向では回折限界の1.1倍、縦方向では1.4と高い空間特性を有していることがわかった。また、470fsにまでパルス圧縮に成功するとともに、10の高いコントラストを得ており、時間特性も優れた特性を示すことがわかった。

Multi-millijoule, nonlinear preamplifier for high intensity femtosecond Yb:YAG chirped-pulse amplification lasers at 1030 nm

鈴木 将之; 桐山 博光; 大東 出; 岡田 大; 中井 善基; 織茂 聡; 佐藤 方俊*; 玉置 善紀*; 吉井 健裕*; 前田 純也*; et al.

Applied Physics B, 97(2), p.379 - 382, 2009/10

https://doi.org/10.1007/s00340-009-3741-3

レーザー駆動粒子線照射装置用の高強度,高繰り返しレーザーシステム開発における前置増幅器の開発を行った。Yb系レーザー媒質は、波長940nmの半導体レーザー(LD)で励起が可能であり、かつ広い蛍光バンド幅を持つため、高強度,高繰り返しレーザー実現に最も近い媒質の一つである。一般に前置増幅器として再生増幅器が用いられるが、利得の狭帯域化,パルスコントラストが悪い等の問題点がある。これらを解決するために、光パラメトリック増幅(OPCPA)を用いた前置増幅器の開発を行った。波長1030nm,パルス幅200fs,出力0.47nJの発振器より発生したフェムト秒レーザーは、パルス伸長器でパルス幅1nsまで伸長される。OPCPAの励起源には、Nd:YAGレーザーの第二高調波を用いてパルス伸張されたレーザーパルスの増幅を行った。その結果、入力エネルギー325mJのとき、出力エネルギー6.5mJをスペクトル幅10.8nmで得た。このレーザーパルスを再圧縮した結果、パルス幅は230fsを得た。本研究で開発したOPCPAは、LD励起Yb:YAG CPAシステムに有用であることを示した。

Laser induced photoacoustic spectroscopy for analysis of neptunium(V) ions under PUREX process condition

木原 武弘; 藤根 幸雄; 深澤 哲生*; 松井 哲也*; 前田 充; 池田 孝志*

Journal of Nuclear Science and Technology, 33(5), p.409 - 413, 1996/05

https://doi.org/10.3327/jnst.33.409

PUREXプロセス溶液におけるネプツニウム5価(NpO)の分析のため、レーザー誘起光音響分光システム(LIPAS)を開発した。Np(V)の検出限界吸収係は、硝酸中で3.5910[cm]であり、この値は、一般的な吸光光度法よりも二桁低い値である。シグナル強度は、共存するウラン濃度に比例して強くなる。ウラン溶液の比熱で信号を補正することにより、ウラン共存下のNpの信号は、ウラン非共存系のNpの信号と一致する。硝酸によるピエゾ素子の腐食を防ぐため、フッ素樹脂によるコーティングを検討した。溶媒の影響を除くための、ダブルセルシステムにより光音響スペクトルを測定した。

Study on the photoacoustic spectroscopy capabilities with remote detection for monitoring of actinide species in nuclear fuel reprocessing solutions

S.I.Sinkov*; 木原 武弘; 藤根 幸雄; 前田 充

JAERI-Tech 95-016, 48 Pages, 1995/03

JAERI-Tech-95-016.pdf:1.7MB

溶液中微量成分を遠隔的に計測するため、光ファイバーを用いたレーザ光音響分光システムの開発を進めている。複合レンズによる調光、板状圧電素子を有する角型セルの適用について試験を行った。このシステムを用いて、硝酸ウラニル(UNH)溶液中におけるPu模擬物質(Pu(III)、Pu(IV)、Pu(VI)と同じ波長域で吸収ピークを有する物質)の測定を行い、硝酸及びUNHの影響を避けた525-562nmにおいて検出下限(吸収係数)1~310cmまでの微濃度まで測定できることを示した。また、光ファイバー出口での調光を省略したシステムについても検討を行い、測定前の調整作業を大幅に簡略できる可能性を示した。

亜硝酸の再処理溶液中での分配平衡

宝徳 忍; 木原 武弘; 内山 軍蔵; 藤根 幸雄; 前田 充

JAERI-M 93-095, 19 Pages, 1993/03

JAERI-M-93-095.pdf:0.66MB

PUREXプロセス溶液中の重要な成分の一つである亜硝酸の挙動を把握するために必要な、亜硝酸の分配係数を硝酸、TBP、ウラン濃度をパラメータにして測定を行った。亜硝酸の分配係数は、硝酸濃度0.1[M]付近で最大値をとり、TBP濃度には比例するがウラン濃度には反比例する。さらに、亜硝酸の分配係数は水相の水素イオン濃度には影響するが、亜硝酸濃度及び硝酸イオン濃度には影響しないことが分かった。得られた実験データから、水相の成分のみで求めることのできる亜硝酸の分配係数近似式を水相の水素イオン濃度とfree-TBP濃度によって示した。

Application of laser induced photoacoustic spectroscopy system to the determination of transuranic elements

木原 武弘; 藤根 幸雄; 松井 哲也*; 北森 武彦*; 前田 充; 坂上 正治*

Solvent Extraction 1990, Part A, p.497 - 502, 1992/00

レーザー光音響分光法(LIPAS)に基づいた燃料再処理プロセスでのTRUスペシエーションシステムの研究を行なった。核種はNp(V)であり、二種類の異なったセル(バッチ型及びフロー型)で行なった。前報ではバッチ型セルを用いた測定を行ない、その検出限界は1.1510 cmと従来法に比べて三桁高感度であった。本報ではフロー型セルを用いて行なった結果を報告する。その検出限界は2.4510 cmであったが、光音響波検出器であるPZT素子の硝酸による腐のため信号が安定しないという問題が起った。フロー型セルの特性を把握するため、水溶液系で非放射性の希土類元素(ネオジウム)を用いた実験も行なった。セル形状によるヘルムホルム共鳴が発生すること、光音響波は約120kHzであること等が分った。またこの時の検出限界は3.1410 cmであり、さらに光音響スペクトルも測定した。

PUREXプロセスにおけるNpイオン分析技術のためのレーザー誘起光音響分光システムの開発

木原 武弘; 藤根 幸雄; 前田 充; 松井 哲也*; 深沢 哲生*; 坂上 正治*; 池田 孝志*; 北森 武彦*

JAERI-M 91-142, 53 Pages, 1991/09

JAERI-M-91-142.pdf:1.86MB

PUREXプロセスにおけるNpイオン分析のためのレーザー誘起光音響分光法(LIPAS)の分析システムの開発を行なった。Nd(III)を用いた分析結果では、検出限界吸収係数は3.1410cmであり、検出限界濃度は4.3610Mであった。このことは本システムが吸光法より二桁高感度であることを示している。本システムをNp(V)の分析に応用した結果、検出限界濃度は1.7810Mであった。この値は再処理Feed液中のNpの約0.5%に相当し、分配工程への適用が期待できる。ウラン共存下のNp(V)の分析を試みた結果、ウランの存在低下により比熱が低下し、光音響信号がみかけ上大きくなることが分った。しかし比熱の補正を行なうことにより、ウランの存在しない場合の検量線の式と一致させることができる。

実海水を用いたジルカロイ-2照射材の浸漬試験

関尾 佳弘; 林 長宏; 山県 一郎; 佐々木 新治; 益子 真一*; 井上 賢紀; 山下 真一郎; 前田 宏治

no journal, , 

福島第一原子力発電所では、東日本大震災による電源喪失に伴い、使用済燃料プール内の燃料を冷却するために海水の注入が行われた。海水に曝された燃料集合体の健全性評価に資するため、前報では燃料集合体部材の腐食挙動や強度特性に及ぼす塩化物イオン等の影響を評価する目的で、ジルカロイ-2燃料被覆管に対して人工海水原液を用いた約1,000時間までの浸漬試験及び浸漬後の引張試験を実施し、ジルカロイ-2燃料被覆管の照射材・非照射材ともに顕著な影響が現れていないことを確認している。一方、実際の海水には塩化物イオンに限らず、他の微量元素、懸濁物等が混入している。そのため、本試験では、ジルカロイ-2燃料被覆管の腐食挙動や強度特性に及ぼす実海水特有成分の影響を評価する目的で、ジルカロイ-2燃料被覆管の実海水浸漬試験及び浸漬後のリング引張試験を実施し、前報の人工海水浸漬試験結果との比較から、その影響を評価した。この結果、照射の有無に関わらず、ジルカロイ-2被覆管の強度特性の劣化が生じなかったことから、腐食挙動や強度特性に及ぼす実海水特有成分の影響は小さいと考えられる。