JULY 2011

JFEテクノリサーチ株式会社

No.28

X線
Li2Mn2O4由来のピーク

Be板

放電前

強度（CPS）

集電体
電極層
セパレータ
Li金属

過放電

LiMn2O4由来のピーク

56

セル内部構造写真1 In-situ XRD測定用セル

57585960616263642θ（deg）

図1 In-situ XRD測定用セルの構造（充放電可能）図2 LiMn2O4正極のIn-situ XRD測定結果

放電
Li+ 収蔵Li+ 放出
充電
LiMn2O4 構造モデル（立方晶）

図3 結晶構造変化（イメージ）

Li2Mn2O4 構造モデル（正方晶）

電池LAB（3）〜電池材料のIn-situ XRD測定〜

In-situ X-ray diffraction of materials for Li-ion batteries
Liイオン二次電池材料の研究開発支援
Liイオン二次電池の電気自動車・蓄電システム等への利用拡大に伴って、高容量・高出力・長寿命化を狙った電池材料の開発が活発に行われています。当社では電極試作〜電池特性評価までの一貫した評価体制を整えるとともに、大気非暴露下での材料解析や電池反応のIn-situ観察・分析技術の開発に取り組んでいます。
大気非暴露・In-situ XRD
Liイオン二次電池の開発では、充放電によって生じる電極反応機構を明らかにすることは劣化機構を解明する上で極めて重要で、高性能化の鍵を握っています。充放電時にLiイオンが正・負極内に出入りするため、電極反応に伴う構造変化や体積変化が起こります。これらの変化を測定する

れた状態）、LiMn2O4（立方晶）+Li手法としてXRD（X線構造解析）法が⇔ Li2Mn2O4（正方晶）という相転移有効ですが、構成材料である金属Liや充電状態の負極等は水分・酸素との反 （図3）を伴う構造変化が起こることが確認されました。次世代用のLiイオン応性が高く大気下では測定が困難で二次電池材料として期待されているした。そこで、当社では写真1に示す
金属・合金系負極材（Si・Sn等)は高容量特種なセル（Be窓越しにXRD測定）をですが充放電時の構造変化が大きく、使用し、大気非暴露下でのXRD測定
In-situ XRDの出番も多いと考えておを可能とするとともにセル内部に簡り ま す。 当 社 で は こ の 他、In-situの易的な電池を組込み、充放電を行いながらのIn-situ測定を実現しました。 FT-IR表面反応解析やTEM観察にも取り組んでいます。ご興味ある方は是
これにより、電池解体に伴って起こ非ご連絡下さい。
る副反応の影響を受けずに経時変化の追跡が可能となりました。
お問合せ先：ソリューション本部（千葉）
In-situ XRD の測定事例
電池・材料解析評価センター
マンガン酸リチウム（LiMn2O4）正極
山田 祥太
について金属Li対極のハーフセルを作
s-yamada@jfe-tec.co.jp
製しIn-situ XRD測定を行なった結果を図2に示します。過放電状態において（正極側に過剰にLiイオンが収蔵さUltra-Trace Analysis Technics (1)極微量分析技術（１）

ら成分の高感度・高精度な定量を困難

15N16O（M=30.9950）などの分子イオン～高質量分解能型誘導結合プラズマ質量分析～にしています。当社ではこの問題を解の影響を排除することができ、0.1ppb

望月 正

決したHR-ICP-MSを導入し、極微量分程度のPの定量が可能になります。

析の適用範囲拡大を図っています。

おわりにソリューション本部（千葉）分析部

mochizuki@jfe-tec.co.jp
はじめに当社で導入したHR-ICP-MSは（写真当社では、ICP-QMSおよびHR-ICP-誘導結合プラズマ質量分析（ICP-1）、磁場と電場を組み合わせた二重MSを保有し、様々な応用技術を確立

MS:Inductively Coupled Plasma Mass

収束型質量分析計を備えたもので、質してきました。超純水や薬液中の不Spectrometry）法は、アルゴンのプラズ量分解能が高く、定量イオンと分子イ純物定量、食品中に微量存在する機マをイオン化源とした質量分析法でオンとの質量分離が可能です。図1に、能性成分の定量、試料溶液化のノウす。その特長は、検出下限がpptレベ

リン（31P, M=30.9737）の定量に影響を与

ハウを活用した各種金属の不純物分ルの高感度で、60元素程度の迅速同える分子イオンの質量分離状況を示し析や純度評価、レーザー照射技術を時定量が可能ということにあり、半ました。図の横軸は質量数を、縦軸は利用した固体表面の迅速分析などで導体や電機、鉄鋼・非鉄、化学、食品、イオン強度を示しています。質量分解す。“極微量分析技術“シリーズでは、環境など幅広い分野で極微量分析に能を4,000程度まで高めることにより、その一端を紹介していきます。

利用されています。
高質量分解能型誘導結合プラズマ質量分析 HR（High Resolution)-ICP-MS

N16O

15

一般的なICP-MS装置は四重極型質P

31N17O

14N16O1H

14量分析計を用いた装置（ICP-QMS）で、この装置を用いることにより60元素程度を数分で同時分析することができます。しかし、プラズマ内で生成した分子イオン；14N16O1Hや15N16O, 38Ar1H,40Ar16Oなどが、それぞれ31P, 39K, 56Feなどの質量スペクトルに重なり、これ

30.96

30.97

30.98

30.99

31.00

図1 31P 5ppb溶液の質量スペクトル（質量分解能 4,000）

写真1 高質量分解能型ICP-MS装置

Microbeam Analysis clarifying Nano-scale structure of Material (11)

微細構造を明らかにする
物理解析（11）（High Angle Annular Dark Field image：

当社では、原子レベルの観察が可能

高角度散乱暗視野像）を観察すると、電な収差補正型TEMを用いた受託分析～収差補正型透過電子顕微鏡による原子スケールの観察～

子の散乱能の違いから原子1個1個の状態を2010年に開始しました。数nmの多の違いを見分けることが可能になります。

層膜構造、異種材料の界面生成物相、ソリューション本部（川崎）ナノ材料評価センター

収差補正型 TEM による原子の観察例

結晶粒界偏析など、ナノスケールで橋本 哲

s-hashimoto@jfe-tec.co.jp
収差補正型 TEM の利点

図1に、GaAs基板上のGaAs/GaAlAs制御する様々な材料の開発に、大き超 格 子 薄 膜 につ いての 収 差 補 正 型な威力を発揮しています。このよう

TEM による観察 例を示します。GaAs

な新しい材料解析技術をタイムリー

電子材料、電池材料、金属材料などとGaAlAsとの原子 配 列は同一であるにご提供することで、お客様の研究開発のお手伝いをさせて頂きます。の高性能化・高機能化を図るために、ナ

た め、 従 来 のTEM像 で はGaAs層とノスケールの構造制御が行われていま

GaAlAs層 と の 違 いす。従来、微細な構成物質の観察には、が 認められなかった

透 過 電 子 顕 微 鏡（TEM: Transmissionの に 対 し、HAADF

Electron Microscope）が用いられていま

像 で は、GaAs層 とす。しかし、カメラなどの光学機器とGaAlAs層とをコント異なり、電子顕微鏡ではレンズの収差ラストの 違いで見分を取り除くことができず、nm以下の微けられるだけでなく、細構造を観察することが困難でした。

Ga-AsとAl-Asとの 最(b) 低倍のHAADF像(a) GaAs/AlGaAs(110) の原子配列

AlGaAs層
GaAs層●As●Ga● Al

20nm

0.245 nm

AlGaAsAs AlGaAs

AlGaAs

GaAs

As Ga

近年、収差補正の技術が格段に進歩し、近接原子の違いも明ビーム径を0.07nmまで絞ることが可能

瞭に区別することがになりました。これにより、サブnmできます。すなわち、サイズの物質を観察できる収差補正型

電子散乱能の小さい(c) 収差補正型TEMで撮影したHAADF像TEMが開発されました。

Alが暗く、Gaが明る図1 収差補正型TEM で撮影したGaAs/AlGaAs 超格子薄膜断面観察(a) GaAs/AlGaAs の原子配列, (b)低倍のHAADF 像, (c)収差補正型
TEM で撮影したHAADF 像, (d)従来TEM像

この電子顕微 鏡を用いてHAADF像

く観察されています。

21nm

1nm
(d) 従来TEM像

Corrosion test under the specific environment

特殊環境下での腐食試験

り材料の耐食性を評価することができ因子を加味した環境を再現することも～高温高圧オートクレーブ腐食試験機～ます。本装置には内容積約10リットルできます。

秦誠の試験槽が備わっており一度に多数の適用分野

知多事業部 工程分析部

m-hata@jfe-tec.co.jp

試験片をセットできるため、材料の研炭酸ガスあるいは硫化水素ガスが含究開発期間の短縮が可能となります。

まれる苛酷な環境下で使われる油井管

石油や天然ガスを採掘する油井は、また、試験槽の下部に備えた攪拌機にの開発、実油井への適応性評価に加え、はじめに浅井戸の枯渇に伴う深井戸化、すなわ

より内容液を流動させた状態でテスト

以下の分野での材料評価にも活用が期

ち高温･高圧の腐食環境へとシフトし材の耐食性を評価することができる様待されます。ており、炭酸ガスや硫化水素ガスを含になっています。

・自動車のエンジン部等高温に曝されむ苛酷な雰囲気下で使用可能な油井鋼る有機化合物やカーボン樹脂複合材

また実油井では、炭酸ガスや硫化水管、ラインパイプ用材料の開発が重要

素ガスに加え有機酸、塩などが共存しな課題となっています。また、近年地ている場合が一般的ですが、これらの料等の高分子材料・高温高圧プラントに使用される材料中への二酸化炭素の圧入により石油産出量を増加させる技術（CO2インジェクション）や地球温暖化の原因である二酸化炭素を回収･貯留する技術が注目され

表 オートクレーブ腐食試験機の主な仕様ていますが、そこで使用される材料にも油井管と同様の耐食性が求められています。

最高圧力70MPa

最高温度250℃

容器寸法

装置の特徴
新たに導入したオートクレーブ腐食攪拌

（内容積：9.8 リットル）
最大 500rpm

試験機を写真に、主な仕様を表に示し

腐食減量試験

ます。圧力70MPa（国内最高クラス）、試験数量

温度250℃までの油井環 境を再現し、腐食減量試験や応力腐食割れ試験によ

内径160mm × 深さ490mm（クーポン試験片： 8 枚 / 槽）
応力腐食割れ試験（４点曲げ試験片：12枚 / 槽）

写真 オートクレーブ腐食試験機

High Speed Deformation Test

高速圧潰試験
～変形速度一定の条件下で行う
高速衝突性能評価～
ソリューション本部（西日本）材料評価部

海津 享

s-kaizu@jfe-tec.co.jp
はじめに変位ストロークは140mm、最大荷重エネルギーであり、部材が高速で変は500kNであり、大型構造物も試験す形していく過程の材料の強度変化おることができます。さらに試験治具よびその際に部材が吸収するエネルを工夫することにより、様々な構造ギー量を求めることができます。さ部品を圧潰することができ、衝突モーらに、高速度ビデオカメラを備えてドを変化させることも可能です。まおり、高速変形時の崩壊過程を詳細

近年、自動車分野での燃費向上のた、冷却装置を備えており、-60℃とに観察することができます。

ための車体軽量化（高張力鋼板を使用いう寒冷地を想定した試験にも対応

高速変形（圧潰）試験機は、以上のすることによる部品の薄肉化）と搭できます。得られるデータとしては、様な特徴を有していますので、お客乗者保護のための衝突安全性確保と図2に示すように、変位ストローク（材様の構造部品の衝突現象解析・評価ないった相反する課題を解決するため、料変位量）に対する崩壊荷重と吸収どのご要望に十分お応えできます。

部材の高速変形特性評価の重要性がますます高くなってきています。
試験機の特徴350.7

今回、変形速度を一定に保ったま300.6

ま圧潰試験を行うことができる装置

250.5

荷重（kN）

についてご紹介いたします。
（図1）
この試験機を使って取得する試験
結果を数値解析モデルと比較するこ

0.4

崩壊荷重

150.310とにより、より実現象に合致した部

0.2

平均崩壊荷重5材設計が可能です。
また、当試験機では、最大14m/s（約0.10050km/h）、常用11m/s（約40km/h）の高速で圧潰することができます。最大2010203040506070

ストローク（mm）

図 1 高速変形（圧潰）試験機

3

図 2 圧潰試験結果の例

80900100吸収エネルギー（kJ）

吸収エネルギーMeasuring Technology of the High-end IR Camera (3)高性能赤外線カメラ
測定技術（3）～超音波加振欠陥検出装置～
計測技術本部 光波センシング部 渋谷 清

k-shibuya@jfe-tec.co.jp

超音波加振法
超音波加振は熱波動を与える一つわる物性（密度、断熱比熱、線膨張係数）

力は関数発生器からの信号で制御されに差があれば発熱むらが生じ、材質異て波動状に測定対象物に与えられます。

常も検知できます。しかし、鋳物や溶関数発生器からの信号は赤外線カメラ

接部などに発生する空孔欠陥には接触にも同期して取込まれ、S/N比を向上さする２面がなく、この手法は適用できせるロックイン処理に利用されます。

ません。すなわち超音波加振欠陥検出

測定実施例
図2に電気部品の欠陥を測定した実には欠陥の種類による適・不適があるの手段で、測定対象物に数十kHzの超ことには注意を要します。

音波振動を加えて欠陥部を発熱させ検出装置構成施例を示します。両端下部付近に発熱領域が見られ、クラック性の欠陥があ

図1に超音波加振欠陥検出装置の加ることが分かります。またやや発熱む

熱量は非常に小さいので超音波の出振部を示します。測定対象物はエアーらが生じており、物性値のばらつきも力を周期的に変動させ、周期同調しなシリンダーなどにより超音波ホーンと検出されました。

い熱的外乱を削除するロックイン処理

圧着されて加振されます。超音波の出ることができます。この時に生ずる発をし、S/N比を向上させて熱的特異点を捉えます。
積極的に熱波動を与えて熱的特異点

超音波
加振
ホーンを観察するアクティブ法は、撮影速度の速い量子型撮像素子を搭載した高性能赤外線カメラの特性を利用したものです。
発熱原理
部品のクラックや勘合不良部に超音波振動を与えると接触２面間で打撃や摩擦による発熱が生じます。また僅かながら熱弾性効果による吸発熱も周期

欠陥発熱部
図1 超音波加振欠陥検出装置の加振部

図2 測定実施例

的に生じているので、熱弾性係数に関お問い合わせ先【ソリューション本部（千葉）】【営業本部】

TEL:043-262-2313 FAX:043-262-2199【大阪営業所】【営業総括部】
TEL:03-5821-6811 FAX:03-5821-6855

TEL:06-6459-1093 FAX:06-6459-1099
神戸支所【東京営業所】
TEL:03-5821-6811 FAX:03-5821-6855

倉敷支所

千葉支所
TEL:043-262-2313 FAX:043-262-2199

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福山支所

川崎支所
TEL:044-322-6208 FAX:044-322-6528【名古屋営業所】
TEL:052-561-8630 FAX:052-561-3374
知多支所
TEL:0569-24-2880 FAX:0569-24-2990【ソリューション本部（川崎）】
TEL:044-322-6208 FAX:044-322-6528

TEL:078-304-5722 FAX:078-304-5723

TEL:084-945-4137 FAX:084-945-3989【ソリューション本部（西日本）】
倉敷 TEL:086-447-4621 FAX:086-447-4618

福山 TEL:084-945-4137 FAX:084-945-3989【九州営業所】
TEL:092-482-2261 FAX:092-482-2262【計測技術本部】【土壌環境部】

千葉 TEL:043-262-2014 FAX:043-262-2665

営業グループ

京

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茂JFE-TEC News 〈 2 0 1 1 〉 発行人／高野
発行所／JFEテクノリサーチ株式会社 営業統括部

No.28

2011年7月発行©JFE Techno-Research Corporation 2011〒111-0051 東京都台東区蔵前2−17−4（JFE蔵前ビル3F）
Tel: 03 - 5821 - 6811

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