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リチウム電池の電極被覆のSERSシミュレーション

Abstract

電磁波解析ソフトKeyFDTDを使用してリチウムナノロッドのSERS(Surface-enhanced Raman Spectroscopy)のうち表面増強効果をシミュレーションした。 リチウムイオン電池に代表される、リチウムを使用した電池は放電するに従って電極表面にリチウムの被覆が発生し、性能劣化を引き起こす。この被覆はナノオーダーの構造体で、SERSによるセンシングが期待されている。今回リチウム被覆はロッド形状とし、SERSによる検出の良否に関わる可視光の表面増強効果を2つの波長について調査した。調査の結果、波長によって表面増強効果の大小が見られること、又実験結果と同様の大小関係が得られることが確認された。

 

 

1. 解析概要

リチウムイオン電池に代表される、リチウムを使用した電池は放電中に電極表面をリチウム(Li)が被覆し性能劣化を引き起こす。この被覆はナノスケールで発生し、in-situなセンシング技術にSERSが期待されている。本レポートでは、LiナノロッドのSERSについて、表面増強効果をFDTD法でシミュレートした結果を報告する。

2.解析条件

Liナノロッドのモデル図をFig.1に示す。y方向に電界成分Eyを持つ可視光の偏波をz軸正側から負側に向けて入射する。x、y方向に周期境界条件を適用し、ロッド間隔60nmで平面上に正方に並んだLiナノロッド被覆基板をシミュレーション対象とした。基板は完全導体、Liの複素屈折率はDrudeモデル(eq.1)で近似した。

解析モデル

Fig.1 Simulation model

$$ \varepsilon_r(\omega) = \varepsilon_\infty + \frac{\omega^2_{p}}{\omega(j\nu_c-\omega)}・・・(eq.1) $$ $\omega$ は入射光の角周波数、分散パラメータは$\varepsilon_\infty = 1.0$、$\omega_p = 9.4\times10^{15}$、$\nu_c = 2.8\times10^{14}$ とした。Table.1の解析条件で、電磁波解析ソフトKeyFDTDTRを用いたシミュレーションを実行し1波長積算した電界分布を得た。

 

Table.2 Analysis condition
Incident wave $ 469.89, 563.52 [THz]$
Boundary condition $ x,y:PERIODIC, z:MUR1 $
Computational domain $300\times300\times2100[nm]$
Mesh size $5[nm]=λ/106,128 = \lambda/82,98(in\ water)$
Timestep $8.37×10^{-18}[sec](563.52[THz])$
$8.35×10^{-18}[sec](469.89[THz])$

 

3.解析結果

波長638nm又は532nmの電磁波を照射した際の、LiナノロッドのX中心断面の電界分布をFig.2に示す。638nmではロッドの高さ方向に等間隔に強電界が現れた。一方532nmではロッドの頭頂に強電界が現れたものの脚部にかけて著しい減衰が認められた。ラインコンターを用いてロッド表面の様子を明瞭にした図がFig.3である。638nmではロッド全体にかけて内部電界がみられるが、532nmでは頭頂部のみにしか見られない。内部電界はLiの吸光を意味し、638nmのラマン散乱スペクトル強度が532nmより強いという実験結果[1]を説明する。

波長ごとの電界分布比較

Fig.2 Electric field distribution with contour

波長ごとのラインコンター比較

Fig.3 Electric field distribution with contour line

4.まとめ

電磁波解析ソフトKeyFDTDを用いてLiナノロッドのSERSをシミュレートした。実験結果をよく説明する結果が得られた。

[1] S. Tang et al.,“An electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopic study on nanorod-structured lithium prepared by eletrodeposition,”J. Raman Spectrosc.2016, 47, 1017-1023
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