51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/大学院工学研究科　特任教授（客员）/客员教授　熊谷明哉

【概要】

熊谷明哉 教授、立崎瑛太、石毛亮之介（千葉工業大学）、井田大貴 講師、高橋康史 教授（名古屋大学）、白木将 教授（日本工業大学）、珠玖仁 教授（東北大学）らの研究グループは、ラマン分光法（注1）とナノ电気化学セル顕微镜（SECCM）（注2）を統合した 新規オペランド計測手法を開発しました。リチウムイオン電池や電極触媒などの電気化学エネルギーデバイスでは、固液界面での反応が性能?耐久性を左右する重要な要素であり、界面で進行する電気化学プロセスをナノスケールで理解することが求められています。これまでは、ラマン分光法などの計測技術を用いて、局所的な電気化学反応と、それに伴う構造変化を反応動作下（オペランド）で同時に観測することは困難でした。通常、電気化学計測と分光手法の同時計測では、電気化学反応場が試料を電解液に浸漬して行うため、広い反応領域で平均化された情報しか得られず、局所情報に乏しいという課題がありました。今回開発された同時オペランド計測法は、ラマン分光計測法とSECCMを统合した计测手法となります。研究グループは、リチウムイオン电池电极であるリン酸鉄リチウム（注3）を利用して、电极内で生じるリチウムイオンの可逆的な电気化学反応をSECCMの形成する微小液滴内に限定して起こしつつ、その领域内の化学构造の変化をレーザーの散乱光から评価できるラマン分光法で计测しました。得られた结果から、液滴内にて起こるリチウムイオンのリン酸鉄リチウム电极からの脱离过程、および挿入过程における局所的な化学构造変化を、ラマン散乱光の観测にて确认することができました。

本顕微镜の开発にて、局所的な电気化学と化学构造の変化の同时オペランド计测が可能となり、ナノスケールでの电気化学反応の界面反応解析に成功しました。これにより、リチウムイオン电池の劣化メカニズムや反応不均一性の解明への贡献が期待でき、高性能?长寿命电池の设计指针を提供する新たな知见を提供することができます。さらに本手法は、リチウムイオン电池のみならず、电気化学反応が関与する全ての固液界面のナノスケールでの理解を可能にし、电池?触媒?腐食分野への基盘科学の前进に寄与する新しい基盘技术となることが期待されます。

本研究成果は4月21日（米国时间）に、応用物理学分野の学术誌であるアメリカ物理学会（AIP）の学术誌Applied Physics Lettersに掲载され、「Featured Article」に选出されました。また、本论文は、AIP誌全体から注目すべき成果を特集し解説するAIP広报メディアである「Scilight」にも取り上げられました。

図1 局所的な電気化学反応とラマン分光情報の同時計測が可能なオペランド顕微鏡の測定の概念図。レーザーの焦点とガラスピペットの先端が一致しており、微小液滴を介して電気化学反応―本論文ではリチウムイオンの脱離?挿入プロセス―とラマン分光測定による構造変化の測定を可能としました。

【用语解説】

注1）　ラマン分光法: 測定物質にレーザー光を照射し、そのレーザーの散乱光のエネルギー変化（ラマン散乱）を測定することで、分子構造や化学結合、結晶状態などを解析する分光測定技術。

注2）　ナノ電気化学セル顕微鏡： サブマイクロメートル（10^-6 尘）以下で开口したガラスピペットに、电解液と疑似参照?対极を挿入し、测定する试料に近づけて微小の液滴を形成する。この液滴を电気化学セルとして电気化学反応场として利用することで、局所的な电流応答の测定とその反応を観察する技术。

注3）　リン酸鉄リチウム（尝颈贵别笔翱₄）：リチウムイオン电池电极（正极）の材料として使われる化合物であり、発火や発热が起きにくく安全性が高く、资源的に安価な鉄とリンからなる。数千回以上の充放电サイクル特性を有しており、长寿命な材料として既に市贩されている。

【论文情报】

雑誌名: Applied Physics Letters (公開日: 2026年4月21日)
論文題目: Raman-integrated scanning electrochemical cell microscopy for operando localized spectroelectrochemistry
著者: Akichika Kumatani*, Eita Tachizaki*, Ryonosuke Ishige, Hiroki Ida, Yasufumi Takahashi, Susumu Shiraki, Hitoshi Shiku
DOI:
*contributed equally(共同筆頭著者)
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