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論文

Study on the deterioration mechanism of layered rock-salt electrodes using epitaxial thin films; Li(Ni, Co, Mn)O$$_{2}$$ and their Zr-O surface modified electrodes

阿部 真知子*; 射場 英紀*; 鈴木 耕太*; 南嶋 宏映*; 平山 雅章*; 田村 和久; 水木 純一郎*; 齋藤 智浩*; 幾原 雄一*; 菅野 了次*

Journal of Power Sources, 345, p.108 - 119, 2017/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:50.42(Chemistry, Physical)

Ni, Co, Mn三元系リチウムイオン電池正極材料について、その劣化機構について、電気化学測定、X線・中性子線測定により調べた。実験の結果、Ni, Co, Mn三元系正極は、層状岩塩型構造とスピネル構造で構成されており、充放電を繰り返すと、充放電に関与しないスピネル構造が表面を覆っていくことが分かった。一方で、Zr-Oで表面をコートした材料は劣化しないことが知られており、その原因を調べた結果、層状岩塩型構造が安定に存在し続けていることが分かった。さらに、電極/溶液界面のLi濃度を上昇していることも分かった。

論文

Material design for magnesium alloys with high deformability

染川 英俊*; 山口 正剛; 大澤 嘉昭*; Singh, A.*; 板倉 充洋; 都留 智仁; 向井 敏司*

Philosophical Magazine, 95(8), p.869 - 885, 2015/02

 被引用回数:17 パーセンタイル:20.86(Materials Science, Multidisciplinary)

マグネシウム合金は軽量だが室温における変形能が低い。いくつかの添加元素が延性を改善することが知られているが、よりよい添加元素が求められている。第一原理計算から非底面すべりを活性化する元素を探索した結果、その原子半径と電気陰性度によって、よりよい添加元素を判別できるという予測が立てられた。実験の結果は計算の予測と一致し、CaとSrなどがマグネシウムの延性を改善することが分かった。計算科学を援用した材料開発が実現可能であることを示唆する結果である。

論文

Numerical evaluation of the Choo and Lee's method for calculating hydrogen detrapping activation energies

海老原 健一; 蕪木 英雄; 高井 健一*

Proceedings of 2012 International Hydrogen Conference; Hydrogen-Materials Interactions, p.553 - 561, 2014/02

構造材料として広く使われている鉄鋼において、水素脆化を起因とするき裂が観測されていることから、その機構解明が望まれている。鉄鋼の水素脆化を理解するためには、格子欠陥と水素の結合強さを表す水素のデトラッピング活性化エネルギーの正確な評価が重要である。通常、実験水素熱放出曲線からデトラッピング活性化エネルギーを評価するチューとリーの方法は、試料における水素拡散を無視しているため、詳細に調べられる必要がある。今回、チューとリーの方法を使って、純鉄の実験熱放出曲線から、また、実験熱放出曲線を再現できるようにパラメータを調整した一次元拡散反応方程式によってシミュレートした放出曲線から、水素のデトラッピング活性化エネルギーを評価した。その結果、試料サイズが大きくなると、チューとリーの方法はデトラッピング活性化エネルギーを過小評価することがわかった。また、このサイズ依存性は、拡散過程によるデトラッピング過程のピークが変形されることに起因することが明らかとなった。

論文

水素熱脱離曲線における試料サイズと初期状態の影響; 数値シミュレーションによる考察

海老原 健一; 蕪木 英雄

水素脆化研究の基盤構築中間報告会予稿集, p.27 - 34, 2012/09

鉄鋼材料の水素脆化機構の解明に不可欠な水素の存在状態の知見を得る有効な実験的方法として水素熱脱離解析(TDA)がある。TDAでは加熱した鉄鋼試料から放出される水素量と試料温度の関係である水素熱脱離曲線が得られ、その曲線から水素存在状態を推定するのに重要な水素と欠陥の結合エネルギーを算出することができる。熱脱離曲線は鉄鋼中の水素の存在状態を反映しているが、試料サイズや昇温前の水素の初期状態にも影響されるため、それらの熱脱離曲線への影響を理解する必要がある。今回は、マルテンサイト鋼の実験熱脱離曲線を再現できる計算パラメータを組み入れた一次元反応拡散方程式を用いたシミュレーションによって、試料サイズと初期状態の熱脱離曲線への影響を考察した。その結果、試料サイズについては、大きくなるほど熱脱離曲線のピークが広がり、計算される結合エネルギーが小さくなることが確認された。初期状態については、水素分布が平衡となる前の過渡状態を初期状態としたサイズの大きい試料では、欠陥の水素放出と水素拡散に関する2つのピークが見られることがわかった。

論文

Quantum beam technology; Nanostructured proton-conductive membranes prepared by swift heavy ion irradiation for fuel cell applications

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

Proceedings of Sadoway 60 Symposium, p.114 - 120, 2010/06

日本原子力研究開発機構では、独自の量子ビーム技術を駆使して、燃料電池に応用可能な高分子電解質膜の開発を進めている。本講演では、発表者らによるその活動のうち、高エネルギー重イオンビーム照射によるグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発について報告する。今回は、膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造や、プロトン伝導度など各種物性を$$gamma$$線グラフト電解質膜と比較しながら議論する。

口頭

イオンビーム照射技術による燃料電池用電解質膜の開発

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 吉田 勝; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成

no journal, , 

イオンビームは、重荷電粒子一つ一つの通過で局所的に高いエネルギーを付与し、照射により潜在飛跡と呼ばれる円柱状の領域が形成される。本研究では、直径数十$$sim$$数百nmの潜在飛跡内に生成した活性点(ラジカルや過酸化物)からのグラフト重合により、燃料電池用電解質膜を作製した。日本原子力研究開発機構イオン照射施設(TIARA)のAVFサイクロトロンにおいて、25$$mu$$m厚のエチレン-テトラフルオロエチレン(ETFE)膜に100MeV $$^{16}$$O(1核子あたり6.3MeV/n),400MeV $$^{50}$$Fe(同7.1MeV/n),450MeV $$^{129}$$Xeイオン(同3.5MeV/n)をフルエンス3.0$$times$$10$$^{7}$$$$sim$$3.0$$times$$10$$^{9}$$ions/cm$$^{2}$$で照射した後、スチレンのグラフト重合とクロロスルホン酸を用いたスルホン化によって電解質膜を得た。透過型電子顕微鏡,電界放出型走査型電子顕微鏡による観察の結果、Xeイオン照射で得られた電解質膜におけるプロトン伝導経路の形態について、膜厚方向に延びる断面を楕円とした柱状でその太さは約250nmであることが確認できた。また、プロトン伝導率,最大引張強度,乾湿寸法変化などの特性は、ナフィオン112と比較して優れていることが明らかになった。

口頭

イオンビーム照射技術によるナノ構造制御電解質膜の開発

小林 美咲*; 八巻 徹也; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 浅野 雅春; 吉田 勝; 前川 康成

no journal, , 

固体高分子型燃料電池(PEFC)の実用化のためには、高いプロトン伝導度のほか、機械強度,耐久性,ガス透過抑制能などさまざまな特性を同時に満たすイオン交換膜の開発が不可欠である。現在、PEFCの駆動条件は高温・低加湿の方向に向かっており、そのような条件下でも高いプロトン伝導度を発現する電解質膜は機械強度に劣るなどの背反が知られている。われわれは、電解質膜における背反事項を克服するには膜中のナノ構造の制御が有効であると考え、イオン照射及びグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発を行っている。今回は、イオン照射の条件を変えた時に膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造の違いと、プロトン伝導度など各種物性に対する影響を調べたので報告する。

口頭

高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発

八巻 徹也; 浅野 雅春; 小林 美咲*; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝

no journal, , 

固体高分子形燃料電池の実用化のためには、プロトン伝導性,機械的強度,耐久性,ガス透過抑制能をはじめとする種々の特性を同時に満たす電解質膜の開発が不可欠である。しかし従来の電解質膜では、プロトン伝導性を向上させるとそれ以外の特性が大きく低下する傾向が見られ、これが膜研究において目下の課題となっている。われわれは、このトレードオフ関係を克服するには膜中のナノ構造の制御が有効であると考え、TIARAにおける高エネルギー重イオンビーム照射によるグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発を行った。今回は、イオン照射の条件を変えた時に膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造の違いと、プロトン伝導度など各種物性に対する影響を調べたので報告する。

口頭

イオン飛跡技術を利用した燃料電池用高分子電解質膜の開発

八巻 徹也; 浅野 雅春; 小林 美咲*; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝

no journal, , 

本研究では、直径数十から数百ナノメートルの潜在飛跡内に生成した活性点(ラジカルや過酸化物)からのグラフト重合により、燃料電池用電解質膜を作製した。日本原子力研究開発機構TIARAのサイクロトロンにおいて、25マイクロメートル厚のエチレン-テトラフルオロエチレン膜にイオン照射した後、スチレンのグラフト重合とクロロスルホン酸を用いたスルホン化によって電解質膜を得た。透過型電子顕微鏡,電界放出型走査型電子顕微鏡による観察の結果、得られた電解質膜におけるプロトン伝導経路の形態は膜厚方向に延びる断面を楕円とした柱状であり、その太さは照射イオン種によってナノレベルで制御可能であることが確認できた。また、プロトン伝導率,最大引張強度,乾湿寸法変化などの特性は、ナフィオンや$$gamma$$線グラフト電解質膜と比較して優れていることが明らかになった。

口頭

高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

no journal, , 

本発表では、潜在飛跡内に高密度で生成した励起活性種(ラジカルや過酸化物)によるグラフト重合を利用したナノ構造制御型電解質膜の作製とその特性について報告する。電解質膜は、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜(25$$mu$$m厚)に100MeV $$^{16}$$O, 400MeV $$^{56}$$Fe、又は450MeV $$^{129}$$Xeイオンを照射後、スチレンモノマーをグラフト重合し、さらにグラフト高分子鎖をスルホン化することにより作製した。プロトン伝導性がナフィオン膜と同程度の電解質膜において、最大引張強度は50MPa以上に達し、ナフィオン112膜よりも高い値であることが明らかになった。ナノ構造制御によりフッ素系高分子基材の性質を保持できたことで、機械的特性に限らず含水時の寸法安定性,H$$_{2}$$透過抑制能にも優れた電解質膜が得られた。

口頭

高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発; プロトン伝導性の検討

八巻 徹也; 小林 美咲*; 浅野 雅春; 野村 久美子*; 高木 繁治*; 前川 康成; 吉田 勝*

no journal, , 

イオンビームによるグラフト重合で得られるナノ構造制御電解質膜のプロトン伝導性について詳細に調べたので報告する。電解質膜の作製は、(1)エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体膜のイオンビーム照射、(2)照射膜へのスチレンモノマーのグラフト重合、(3)グラフト高分子鎖のスルホン化の順で行った。80$$^{circ}$$C,相対湿度90%におけるプロトン伝導率$$sigma$$は、ナフィオンとほぼ同じイオン交換容量において一致し0.1S/cm程度であった。また、興味深いことに、$$gamma$$線グラフト重合で作製された電解質膜と比べて高伝導化の傾向が確認され、イオンビーム潜在飛跡への高密度導入による効果が示唆された。

口頭

An Atomistic study on the interaction of hydrogen atoms and a screw dislocation in BCC iron

板倉 充洋; 蕪木 英雄; 山口 正剛

no journal, , 

鉄及び鉄鋼材料が腐食,溶接,照射環境におかれると水素脆化を起こすことは長年知られているが、そのメカニズムについてはまだよくわかっていないことが多い。この原因を明らかにするためには水素の鉄中での存在状態、すなわち格子欠陥との相互作用をを知ることが必要である。特にらせん転位と水素の相互作用は、鉄の塑性挙動を支配するため重要である。ここでは、第一原理計算により、らせん転位周辺の水素の存在状態を精確に導出するとともに、水素がらせん転位運動に与える影響について明らかにした。

口頭

A Molecular dynamics study on the fracture process of metals

蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

金属の脆性破壊機構は未解決の問題である。脆性破壊は外部からの応力に対し原子間結合が切断する現象であるが、実験では原子結合が切断する応力よりはるかに低い外部応力で破壊に至る。この現象には転位運動及び転位構造が関係していると考えられるが、このスケールの現象をとらえるのは現在の実験及び計算手法では困難な領域である。われわれは大規模な分子動力学法を用いてアルミニウムの粒界破壊におけるき裂と転位の相互作用をシミュレーションすることにより、この問題解決のためミクロ手法からの提案を行った。

口頭

六方晶マグネシウムのすべり面に対する添加元素の影響; 第一原理計算

山口 正剛; 都留 智仁; 板倉 充洋; 蕪木 英雄

no journal, , 

マグネシウム(Mg)は最も軽い構造用金属材料として近年注目を集めているが、六方晶であることに起因して、すべりやすい底面とすべりにくいその他の面(柱面,錐面)とのバランスが悪く、加工性が悪い。そこで、数%以内のイットリウム(Y)添加によって伸びが大幅に向上することがわかっているが、Yは希少金属であるためコストの上昇を招く。そのため、希少金属ではない他の元素の添加によって加工性を改善することが求められているが、どのような元素を添加すればよいかの理論的指針がない。そこでまず、第一原理計算によりMgのすべり異方性に対するY, Al, Znの効果を調べた。本発表ではそれらの結果をもとに上記の元素添加の戦略について議論したい。

口頭

第一原理計算及び分子動力学法によるマグネシウム$$<$$a$$>$$らせん転位の交差滑りの計算

板倉 充洋; 山口 正剛; 蕪木 英雄; 都留 智仁

no journal, , 

マグネシウムは軽量で強度があるため、構造材料としての高いポテンシャルを有しているが結晶構造の対称性の低さから特定の方向にのみ変形する性質があり加工が困難である。それゆえ、近年はさまざまな元素を添加することでこの性質を改善する研究が各国において産学連携で進められ競争状態にある。そのような状況の下、当該課題は、これまで鉄の転位の第一原理計算を行ってきた所属研究室の経験や知見を活かすことが可能であり、実際にマグネシウムを必要とする企業との連携の下、研究が始まった。その結果、従来マグネシウムの変形を担う転位の性質は、その安定構造が第一原理計算で求められていたのみで、その移動の性質は不明であったが、本研究により、転位の構造とその移動を同時にコントロールする手法が新たに開発され、移動に必要なエネルギーを構造変化を考慮に入れた計算が可能となった。計算により得られた事実は、必要なエネルギーの大部分は構造変化のエネルギーであり、構造変化した後は転位が容易に移動することである。これにより、転位の構造を変える添加元素を見つけることで変形しやすい新合金を開発する可能性があることがわかった。

口頭

Modeling of He embrittlement of grain boundaries in alpha-Fe

鈴土 知明; 山口 正剛; 都留 智仁

no journal, , 

核融合炉第一壁の候補材としてフェライト/マルテンサイト鋼が挙げられているが、照射による粒界脆化が問題となっており、その原因としてHeの粒界偏析が考えられている。本研究では、He脆化の粒界性質依存性を、経験ポテンシャルと第一原理計算法の2種類の計算手法を用いて調べた。脆化の指標としては粒界を分離するのに必要な仕事量と等価である粒界凝集エネルギーを用いた。まず、低$$Sigma$$値の粒界のHe脆化について第一原理計算と経験ポテンシャルの両方を用いて粒界凝集エネルギーを計算し、経験ポテンシャルの健全性を確認した。次に、第一原理計算手法では困難な高$$Sigma$$値のものも含めて様々な粒界の脆化解析を経験ポテンシャルで行った。その結果、粒界強度の低下率は近似的に粒界偏析したHe量だけの関数になり、粒界種には大きく依存しないことがわかった。

口頭

マグネシウムの成形性改善のための元素探索; 第一原理計算

山口 正剛; 板倉 充洋; 蕪木 英雄; 都留 智仁

no journal, , 

マグネシウムは軽量材料として期待されているが、六方晶金属であることからすべりの異方性が強いため、成形性が悪いことで知られている。添加元素としてイットリウムを加えると成形性が改善されることが知られているが、希土類元素のため価格が高い。このため、他の安価な元素で代替することが求められている。本研究では、第一原理計算によってイットリウムの転位のパイエルス応力や粒界強化効果への影響を調べ、同様の効果を持つ他の元素を探した。その結果、いくつかの元素を発見し、後に実験でそれが確かめられた。

口頭

Imaging of Li distribution in Li ion batteries by direct elemental detection technique of PIGE and NRA combined with proton microbeam at TIARA

山崎 明義*; 神谷 富裕; 佐藤 隆博; 三間 圀興*; 藤田 和久*; 奥田 匠昭*; 佐和田 博*; 斎藤 俊哉*; Gonzales, R.*; Perlado, J. M.*; et al.

no journal, , 

For the development of advanced lithium (Li) ion batteries, precise diagnostics of Li in the electrode material is required. In order to obtain specific distribution of Li in Li ion battery materials, we have utilised the nuclear reaction analysis (NRA) and the particle induced $$gamma$$-ray emission analysis (PIGE) with the micro-PIXE analysis, which characterises the heavier elements, in the proton microbeam system at TIARA. The Li distribution in real Li-ion batteries was analysed mainly in the cross-sections of fabricated electrode samples containing micro particles based on metal oxides. The objects of the analyses were extended to all-solid batteries as the candidate for the next generation Li ion battery. The obtained images show the distributions of the Li ions buried in the electrode materials varying with charging condition and other various factors. This paper describes the analysis system and results of the experiments.

口頭

Mesoscopic Li distribution analysis on an all solid battery

斎藤 俊哉*; 山崎 明義*; 神谷 富裕; 藤田 和久*; 三間 圀興*; 加藤 義章*; 射場 英紀*

no journal, , 

All solid batteries (ASB) is one of the most promising candidates for post-Li-ion battery especially for large scale applications such as electric vehicle, plug-in hybrid vehicle and stationary use. On the other hand, one of the major drawbacks of ASB is the poor power density due to its large "interfacial resistance" of electrodes. The origin of interfacial resistance is cracks and/or resistive layer between active material and solid electrolyte. To figure out a quantitative view of the poor power density, the micro-PIXE/PIGE system was utilized to obtain 2D elemental images of transition metals and Li in samples of ASB with a spatial resolution of $$mu$$m level at the ion accelerator facility, TIARA. The result will be shown in the conference and the possibility of in-situ observation will be discussed.

口頭

Nanostructured proton-conductive membranes prepared by swift heavy ion irradiation for fuel cell applications

八巻 徹也

no journal, , 

日本原子力研究開発機構では、独自の量子ビーム技術を駆使して、燃料電池に応用可能な高分子電解質膜の開発を進めている。本講演では、発表者らによるその活動のうち、高エネルギー重イオンビーム照射によるグラフト重合を利用したナノ構造制御電解質膜の開発について報告する。今回は、膜中に形成されるプロトン伝導部のナノ構造や、プロトン伝導度など各種物性を$$gamma$$線グラフト電解質膜と比較しながら議論する。

口頭

第一原理計算による二酸化アクチニドの熱伝導率評価

中村 博樹; 町田 昌彦

no journal, , 

シビアアクシデントの解析において、燃料物性の数値シミュレーションはその重要度を増してきており、より精密で信頼性の高い数値シミュレーション技術が求められている。本発表では上記課題に対して、第一原理計算を利用した二酸化アクチニドの熱伝導率の評価についての結果を報告する。なお、課題解決にあたって、大型計算機を利用し、フォノンの非調和効果を計算し、二酸化トリウム等の熱伝導率の評価に成功した。この結果により、酸化物核燃料全般の熱伝導率評価を第一原理計算により精度よく推算できるようになることが期待される。

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