Nagaoka University of Technology Institutional Repository

李, 碩

リ　ショウ

1 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation 
 
氏 名Name 李  碩  
 
Lithium-ion batteries (LIBs) have been widely used as reliable energy sources for portable 
devices such as laptops, cellular phones, and camcorders. In addition, they are also considered 
promising candidates for use in electric vehicles. From the perspective of building a low-carbon 
society and achieving energy security, the applications of LIBs are expected to further expand in 
the future. Hence, it is very important to prolong the service life of LIBs, which, with long-term 
use, are known to show decreased voltage and capacity. Therefore, to improve the performance of 
LIBs and broaden their applications, it is necessary to investigate the different patterns of cell 
degradation and interpret the mechanisms, which is the first experimental purpose in this study. 
The degradation experiments of commercially available 18650-type LIBs were carried out in the 
low temperature region. The electrochemical measurement was applied to investigate the cycle 
performance of cells at low temperature. And the mechanism of cell degradation at low temperature 
was studied using differential capacity profile without disassembling the cells, thus the degradation 
mechanism can be clarified from the viewpoint of intercalation/deintercalation processes of Li ions 
in the electrodes during charge and discharge. It was found that the cell degradation caused by 
low-temperature operation was reversible, as exhibited by the complete recovery of the cell 
capacity when the temperature was increased to 25 °C. While the cell degradation became 
irreversible after a large number of charge/discharge cycles at low temperature, which resulted in 
a permanent loss of cell capacity. The analysis of differential capacity profile shows that the 
reversible capacity fading is related to the occurrence of overpotential during charging and 
reduction of the lithium inventory for the staging process of the graphite anode during discharge, 
while the irreversible degradation is mainly related to the irreversible reduction of the lithium 
inventory for the staging process of the graphite anode during charge and discharge, and the 
electrode structures cannot return to normal even when the temperature is increased to 25 °C. 
Furthermore, compared to consumer electronic devices, LIBs for electric vehicles have more 
stringent demands for the safety. While the high safety is obtained in the normal operating range, 
the battery operating temperature can exceed the normal operating range. Hence, it is necessary to 
evaluate the thermal behavior of the battery when it is used in a low-temperature environment, 
which is the second experimental purpose in this study. The exothermic behavior of the degraded 
cells by charge-discharge cycles at low temperature was investigated comprehensively by 
calorimeter tests in different heating modes. It was found that the thermal stability of the cells 
decreased after cycling the cells at 1° C and showed a strong dependence on the depth of discharge 
values, and the thermal runaway of the degraded cell occurred at an input energy 100 times lower 
than that required for the fresh cell. The most important is that the decrease in thermal stability in 
degraded cells is considered to originate from the undischargeable Li remaining at the graphite 
anode after cycling at low temperature, which could cause an exothermic reaction upon heating. 


Degradation analysis and exothermic behavior of lithium-ion secondary cells charged and discharged at low temperatures

I, WAYAN NGARAYANA

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名Name I Wayan Ngarayana  
 
This study examines the effect of surface oxidation in Cs chemisorption onto modern nuclear power 
plant structural materials. The examination is conducted using 4 types of materials; SS 304, SS 
321, Inconel 600, and X-750 by following a liquid-solid reaction to simulate leakage parts to the 
environment. Although these materials have a similar oxide layer during normal  operation, however, 
matrix composition variations and temperature changes during severe accidents may change their 
oxide film structures and contribute to the Cs chemisorption behavior. The diverse pre-oxide films 
are prepared from well-polished SS 304, SS 321, Inconel 600, and X-750 specimens following 
annealing procedures. The pre-oxide specimens are coated with liquified CsOH∙H2O and treated at 
300–1050 ᵒC in the air, then soaked in water. CsOH residues, including Cs 2FeO4 and Cs2CrO4, 
dominate pre-soaked specimens but completely disappeared after soaking. Some Cs particles 
enriched with Ti, Al, and Si which are furthermore predicted mainly i.e., as CsAlSiO 4, CsAlTiO4, 
and CsAlO2 are retained on post-soaked specimens. Cs containing Si between outer and inner oxide 
layers are detected from cross-sectional observation, particularly in SS 304. While a small amount 
of Ti-enriched Cs compounds is located in the thin outer layer of SS 321, X-750, and Inconel 600. 
It is concluded that Cs enrichment on the inner layers is formed in the pre-existing layer and then 
overlapped with the growth of the outer oxide layer. These confirm the important role of oxidation 
in Cs chemisorption. 
 
Keywords:  cesium, retention, chemisorption, SS 304, SS 321, Inconel 600, X-750, solute 
elements, oxidation  


Effect of Surface Oxidation in Cesium Chemisorption onto Nuclear Structure Materials

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

蓑輪, 圭祐

屋外環境下におけるコンクリートの長期乾燥収縮挙動の予測に関する検討

中谷, 衣里

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名Name 中谷  衣里  Nakatani, Eri 
 
新薬を実用化する前に臨床試験が必要である。多くの薬物が、成人だけでなく胎盤を通じ
て胎児に影響を与えるが、臨床試験に胎児を使うことはできない。そのため、ヒトの細胞
を用いたり、動物胚を用いたりする実験によりヒト胎児への影響を推測するが、全身や体
の形成への影響の評価はできない。そこで、ヒト胎児の薬物動態を知るためには研究され
ていないため、ヒト胎児の発生を体外で再現する必要がある。そこで、全身の細胞になれ
る胚に似た性質を持つヒト胚性幹（ES） /誘導多能性幹（ iPS）細胞と、物質の分布を制
御するマイクロデバイスを用いることでヒト胎児の体の形成ダイナミクスを体外で再現す
る技術が注目されている。実際に、マイクロデバイス上でヒト ES/iPS 細胞の塊から初期
胚の似た細胞塊の生成に成功した例などが報告されている。  
当研究室においても、ヒト iPS 細胞用のマイクロ流路を開発してきた。そして、骨形
成たんぱく質 4（BMP4）入培地でヒト iPS 細胞の分化を誘導した結果、分化した部分と
未分化の部分の空間的パターンができることがわかっている。低細胞密度で分化誘導する
とほとんどの細胞が分化するが、高細胞密度で分化誘導すると分化が抑制される。また、
関連する細胞分化パターン形成現象として、高細胞密度で細胞を灌流培養すると、新たな
培地が流れこんでくる上流の細胞のみが分化することも観察された。これの現象のメカニ
ズムとして、ヒトの胚の体軸形成時にモルフォゲン勾配ができるときに似た現象が起こっ
ていると考えられる。つまり、ヒト iPS 細胞が BMP4 阻害剤を分泌して、高細胞密度環
境では阻害剤の濃度が高くなることで BMP シグナル伝達経路を阻害していることが考え
られる。しかし、細胞を培養しながら細胞の分化や物質の分布状態を時間とともに観察す
るのが難しく、分化の空間的パターンを形成できる詳しい阻害剤分泌の条件が不明であ
る。  
そこで本研究では、ヒト iPS 細胞が BMP4 阻害剤を分泌することで分化の空間的パタ
ーンを形成しているとの仮説を、計算シミュレーションを用いて検証する。実験結果と計
算結果を比較することにより、BMP4 阻害剤を分泌する細胞を模倣する適切な条件を検
証する。  
まず、阻害剤分泌機構を 4 つ考え、それぞれ 4 つの実験結果を再現できるかを確認す
るシミュレーションで検証した。その結果、ヒト iPS 細胞が分化すると同時に阻害剤を
分泌する機構では実験結果を再現できなかった。一方で、iPS 細胞が分化する前から
BMP4 阻害剤を分泌する 3 つの分泌機構（常に一定の Noggin を分泌する、ランダムな分
化の閾値を持つ細胞が分化して Noggin を分泌する、BMP4 暴露量に応じて少しずつ
Noggin を分泌する）では、4 つの実験結果と同様に分化の空間的パターンが再現でき
た。そこで、ヒト iPS 細胞がどのタイミングでどの程度の BMP4 阻害剤（第一候補とし
て Noggin）の濃度を測った結果、BMP4 を添加する前から一定量の Noggin を分泌して
いることが明らかとなった。したがって、ヒト iPS 細胞が分化前から BMP4 阻害剤を分
2 
泌しているとのシミュレーション結果は実験により検証されたが、分泌量はシミュレーシ
ョンで仮定した量の約 1/100 であった。そこで、細胞表面に BMP4 とその阻害剤の移
流・拡散を遅くする物質が存在するとの仮定をいれた。この仮定は、ヘパラン硫酸（プロ
テオグリカン）が Noggin と結合したり解離したりすることによって Noggin の拡散を遅
くするという根拠に基づく。その結果、分泌量が実測値のように少なくても分化の空間的
パターンができ得ることが明らかになった。この細胞表面に BMP4 とその阻害剤の移
流・拡散を遅くする物質が存在するという仮定は還流培養の結果、円形細胞コロニ培養の
結果を再現する上でも矛盾を生じさせないことも確認できた。  
以上の結果を総合し、細胞が未分化のときから BMP4 阻害剤を分泌しており、かつ細
胞表面のプロテオグリカンなどが拡散を遅くするように働くと仮定すると分化の空間的パ
ターンを形成できることがわかった。分化の空間的パターンを形成できる詳しい阻害剤分
泌の条件が分かった。  
本研究の成果は、培地中での物質の拡散性を調節することによって所望の分化パターン
を作り出すことができるようになり、ヒト iPS 細胞を用いて体外で胚発生を模倣する技
術の進展に貢献する。将来、ヒト ES/iPS 細胞とマイクロデバイスを用いてヒト胎児の体
の形成を体外での再現することで、胎児を用いずに新薬の胎児の全身や体の形成に対する
試験が行えるようになるだろう。  
 


Reaction-diffusion of two signal molecules in spatial differentiation patterning from human iPS cells

仲田, 翔太

Evaluation of lift force acting on a cylindrical blade by a longitudinal vortex and examination of mechanism of lift generation

TRAN, PHUONG THAO

Development of bioreactors for methane-driven nitrogen removal in anaerobic wastewater treatment

百﨑, 龍成

1 
 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名Name  百﨑  龍成  
 
通信、検査、計測などの広範な分野で光波が利用されている。同じ電磁波でも電波に比
して高周波な光波を用いることで、センシングの高解像化や通信における高速化、大容量
化などの多くのメリットを得ることができる。そのため、光波が有する波長（周波数）、振
幅、位相、伝搬方向、そして偏光といった特性を制御可能な光学素子が数多く研究、開発
されてきた。とりわけ、偏光は、液晶ディスプレイや関連する材料分野で我が国を中心に
かなり研究されてきた背景があるが、その他の分野への応用では未だ途上にある。近年、
光センシング、光通信、次世代ディスプレイ（エアリアルディスプレイ、ヘッドアップ／
ヘッドマウントディスプレイ）などの分野で偏光を導入することによって、いくつかの革
新的な技術が報告されている。これらは偏光制御素子を要素素子として採用することで達
成されており、偏光制御素子の研究・開発が偏光の新たな応用創出につながることを明示
している。偏光を応用する上で有用な特長を併せ持つ偏光回折格子と呼ばれる光学素子が
ある。偏光回折格子は液晶やメタサーフェスなどの異方性媒体を周期的に配置することに
よって作製される。偏光回折格子の回折原理は、従来の等方性媒体で形成される回折格子
とは異なり、偏光と異方性媒体の相互作用時に現れる幾何学的位相に基づく偏光回折によ
るものである。そのため、物理的な凹凸構造なく、可視域で数ミクロンと薄くとも、100%
の回折効率などの応用上魅力的な性能を達成する。一方で、斜入射時に回折特性が乖離す
る点や応用に合わせた多彩な回折特性の実現が要求されている点などの応用上の課題が残
されている。本研究では、液晶を用いた偏光回折格子において、光学異方性媒体の空間分
布や光学異方性を特徴付ける液晶分子自体の空間的な屈折率分布を制御することによって、
応用上の光学的課題を解決することを目的としている。  
 液晶を用いた偏光回折格子には、ガラス基板などの上に液晶材料を配置した単層のもの
と、配向材料をコーティングすることによって用意した配向基板を対向させて低分子液晶
を挟んで配向させた液晶セル型のものがある。後者の液晶セル型の偏光回折格子は、内部
の低分子液晶の温度依存性や電界依存性によって動的に制御することができる。また、形
成する際に用いる２枚の配向基板の格子ベクトル方向や配向パターンによって回折特性を
大幅に制御できることが報告されている。本研究では、格子周期が異なる２枚の配向基板
で液晶セル型の偏光回折格子を作製し、その内部配向分布と回折特性を調査した。液晶セ
ル内部に形成される特徴的な液晶配向分布をビート構造と命名し、ビート構造を有する液
晶セル型偏光回折格子の回折特性を実験および理論解析の両面から実証した。さらに、理
論的な考察を行い、線状の格子欠陥（ディスクリネーション）が起きる条件の解明やビー
ト構造の周期（ビート周期）の定式化を行った。回折特性については、入射光のビーム径
に対してビート周期１周期が対応する場合と複数周期が対応する場合でそれぞれ実験的に
測定し、ビート構造と回折特性の関係を明らかにした。  
2 
 他方、偏光回折格子の応用において、ビームを走査するために使用する際や広角なイメ
ージングに用いる際には、光波が斜めに入射される場面がしばしばある。しかしながら、
垂直入射時には理論上100%である回折効率や常に円偏光を偏光回折する偏光特性は、入射
角の大きさに応じて徐々に乖離してくる。通常、偏光回折格子は一軸異方性媒体を利用し
て作製されるため、入射角に応じて光波に寄与する実効的な異方性の大きさが変化する。
これに対して、二軸光学異方性媒体はどの方向から見ても異方的な屈折率分布を有してい
る。そのため、本研究では、単層の偏光回折格子に二軸異方性を導入することによって入
射角依存性を低減できないか検討することとした。偏光回折格子では光学異方性媒体の光
学軸が一軸方向にのみ分布していることから、格子ベクトルと直交する平面上、格子ベク
トルを定義できる平面上の２通りの斜め入射を想定することができる。格子ベクトルと直
交する平面での入射角依存性では、二軸光学異方性による補償が有効的に機能し、コント
ロールとして用意した一軸光学異方性の結果と比較することで入射角依存性を低減できる
ことが明らかとなった。格子ベクトルが定義される平面での入射角依存性においても、偏
光回折格子の光学的厚さを考慮することによって、二軸光学異方性による補償効果がどの
ように作用するかを明らかにした。一連の実験結果は理論解析結果とよく一致し、二軸光
学異方性補償の理論的な説明が与えられている。  
 代表的な偏光エレクトロニクス素子である、偏光回折格子に関する本研究で得られた結
果は、偏光回折格子を応用する際に役立つだけでなく、偏光回折格子の応用機会を拡大す
ることや新規光学異方性材料の研究・開発にもつながり、光産業の発展に大きく貢献する
ものである。  
 
 


３次元異方性を有する偏光回折格子の偏光回折基礎特性と偏光エレクトロニクス素子応用

任, 小晶

High Repetition Rate Pulsed Power Generation Technology Using Compact Marx Generator

堀江, 和也

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
 
氏 名Name 堀江  和也  
 
 
工業分野において，鍛造は様々な形状の金型で被加工材を目的の形状に変形させる加工
方法である．それにより製造される機械部品は優れた特性を持ち，各種工業製品に利用さ
れている．熱間ハンマー型鍛造の場合，高温に熱せられた材料と鍛造金型が強固に固着す
るという，「焼付き」と呼ばれる問題が発生することがある．これの防止法の一種として金
属表面処理の一種である浸硫窒化処理がある．これは金型表面に，摩擦係数の低減と耐焼
付き性の向上を目的とした硫化物層と，金型の硬さ向上や長寿命化を目的とした窒化層の
形成を行うものである．硫化物層は固体潤滑機能を持ち，これが耐摩耗性などにどのよう
に作用しているかを検討し，明らかにすることは表面処理の応用の上で非常に重要である．
硫化物層は主に硫化鉄（FeS）からなるため，そのFeSの物性詳細は欠かせない要素となる．
しかしながら，FeSの物理的特性については不明な点が多い．そのFeSの物性自体もあまり
調査されていない．そもそもFeSの特性を評価するための緻密なバルク体を得る方法も報
告がない．   
焼付き防止のための浸硫窒化処理もそれぞれに最適な処理条件がある．詳細な条件選定
は処理業者，メーカーの経験による所が多く，企業秘密の場合が多い．詳細に関しては使
用者，ユーザーに開示されることは少ない．また，ユーザーからメーカーに使用感想など
がフィードバックされることも少なく，情報の共有はあまりされていない．そのため，ユ
ーザーはメーカーのアドバイスをもとに正規の金型に処理を施し，それによるテストを行
わざるを得ない．この場合に焼付き等の問題が発生した場合，多大な費用が発生する．新
規の場合，簡易的な事前調査を行えれば，このような問題の発生を事前に調査することが
でき，その上で正規の金型でテストをすることができるようになるが，そのような簡易テ
スト法が確立されていない．また，浸硫窒化処理方法の最適化を行った場合にメーカーと
ユーザーとの間で処理条件等の最適化の情報共有をしつつ，実際に製造しながら，その条
件をフィードバックしていくことはあまり行われていない．  
浸硫窒化処理により生成される硫化鉄は，それ自体が固体潤滑機能を持ち，その応用範
囲は多岐にわたると考えらえる．その一つに歯車への応用がある．様々な機械や装置に多
くの歯車は使用されており， 非常に重要な位置を成している．その歯車等の動力伝達要素
部品間の潤滑方法としてはオイルやグリス等を使う湿式が一般的だが，宇宙空間等のよう
な過酷な環境下では湿式では潤滑剤の劣化や揮発が起こる．これに対し，固体潤滑は固体
物質自体が潤滑剤の役目を果たし，その劣化や揮発が少ない．これらの過酷条件で使用さ
れる機械や装置では，乾式潤滑の開発が望まれている．しかしながら，浸硫窒化した鋼製
歯車の評価はほとんど公開されていない．   
本論文では，硫化鉄の物理的特性調査のためにFeS粉末のパルス通電焼結法による硫化
鉄バルク体の作製方法を確立し，硫化鉄の物理的特性（密度，ビッカース硬さ，脆性延性
2 
転移温度）を調査した．FeS焼結体の密度は4.62 g･cm-3，ビッカース硬さはHV190，脆性
延性転移温度は300～400℃の間であることがわかった．また焼結前のFeS粉末と，焼結後
のFeSの化学量論組成は，FeS粉末では，Fe : S=0.89 : 1となった．同様に焼結後のものでは，
Fe : S=0.93 : 1となり，焼結後にS成分の減少が確認された．  
また，事前簡易テスト方法として高温環境下で表面処理を施した金型材と被鍛造材を高
速で回転させた状態で接触させ，その際の摩擦により発生するトルクや，回転が停止する
までの時間を測定し，それらをもとに表面処理を施した金型の最適化を行う高温摩擦試験
法を考案した．この方法により，浸硫窒化処理には硫化物層の下にある窒化層も重要であ
り，窒化と浸硫窒化を組み合わせることでそれぞれ単体の処理だけでは出せない焼付き防
止効果やその長期継続効果があることを明らかにした．これにはユーザーとメーカーとの
間に長岡技術科学大学が入り，情報共有を行った結果である．この方法で確立した処理条
件を歯車に応用した．浸硫窒化処理を施した歯車を用意し，無潤滑条件下（液体潤滑剤を
使用しない）歯車の摩耗について評価した．その他の表面処理として窒化処理，浸炭焼入，
高周波焼入歯車を準備し比較を行った．浸硫窒化処理を施した歯車は，歯面のビッカース
硬さが浸炭焼入，高周波焼入より低いにも関わらず，摩耗試験後の摩耗量の減少は小さい
結果となった．浸硫窒化処理で形成される硫化物層が固体潤滑の役目を果たすため，摩耗
が少なくなり，浸硫窒化処理は固体潤滑の役目を果たし，無潤滑状態でも歯車の摩耗低減
に有効であることが示せた．  
 


鋼の浸硫窒化処理における潤滑および耐焼付き性の実験的検討

KLADPHET, THANET

Study on numerical modeling using spectrum obtained from a compact spectrometer to predict the plasma-parameter/chemical-species in atmospheric pressure plasma

Not a member yet