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

【発表のポイント】

• 场所ごとに异なる材料や界面が存在するリチウムイオン电池の复合电极において、これまでは平均化されて见えなかった局所的な电気化学反応を、ナノスケールでマッピング（可视化）することに成功しました。
• 直径约100 nmのナノピペットを用いた局所电気化学计测により、シリコン-グラファイト复合负极上の反応を、「グラファイト」、「シリコン」、「両者の混合领域」の3つに识别し、复合电极内部の反応不均一性を明らかにしました。
• 电池の安定性や寿命を大きく左右するSEI（Solid electrolyte interphase）被膜（注１）の形成に関连した反応も、场所によって异なることを示しました。また、材料の局所组成、电気化学反応、界面形成を结び付けて理解する新たな电池评価手法を提示しました。

【概要】

リチウムイオン电池の电极は、活物质、导电助剤、バインダーなど复数の材料から构成される「复合电极」です。そのため、実际の电极内部では材料の种类や分布、界面状态が场所ごとに异なり、电気化学反応も必ずしも均一には进みません。しかし、一般的な电気化学测定では电极间を移动するリチウムイオンに起因する电流の评価を测定するため、このような场所ごとの反応の违いは平均化され、见えにくくなります。

千葉工業大学の熊谷明哉 教授（東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）特任教授（客员）兼任）らの研究グループは、ナノ电気化学セル顕微镜（SECCM：Scanning electrochemical cell microscopy）（注２）を用いて、シリコン-グラファイト複合負極の局所的な電気化学反応を調べました。直径约100 nmの开口径を持つナノピペット先端に形成される微小な电解液メニスカスを电极表面に接触させ、その场所だけの电気化学反応を测定しました。また、実际のリチウムイオン电池の特性评価に近い环境で测定するため、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で有机电解液とリチウム金属电极を用い、さらに电解液をナノピペット内でゲル化することで、安定した局所测定を実现しました。その结果、同じ复合电极上でも、各材料に特徴的な反応と両者が重なった反応が场所ごとに异なって现れることを明らかにしました。さらに、电解液の分解により形成されるSEI被膜の分布も局所的に検出され、その反応が电极表面で一様ではなく、空间的に不均一に分布していることを示しました。

本成果は、蓄电池电极を一つの「平均的な材料」として评価する従来の考え方から一歩进み、「どの场所で、どの材料が、どのような反応をしているのか」を局所电気化学计测から読み解く新しい电池评価の考え方を示すものです。今后、材料配置や界面状态と局所反応の関係を明らかにすることで、复合电极の设计?最适化や、电池劣化机构の理解につながること、また他の电気化学反応が関与する电极触媒などへの応用も期待されます。

本研究成果は2026年8月13日（现地时间）に、Chemical Engineering Journalにオンライン掲载されました。

図 1. SECCMのナノピペットを用いたシリコン-グラファイト复合负极の局所测定の模式図。各材料（シリコンやグラファイト）の反応、さらにSEI被膜が形成される领域を场所ごとに计测?マッピングし、调べることができる。

【用语解説】

注１）　SEI被膜：リチウムイオン电池の负极表面で有机系电解液の分解などによって形成される被膜。电极と电解液のさらなる反応を抑制する役割を持ち、その形成状态は电池の安定性、サイクル特性、寿命に関与する。

注２）　ナノ电気化学セル顕微镜（SECCM）：サブマイクロメートル（10^-6 m）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。

【论文情报】

タイトル：Local electrochemical signatures and SEI formation pathways in silicon-graphite composite negative electrodes
著者：Akichika Kumatani, Yuto Sato, Yasufumi Takahashi, Hiroki Ida, Hitoshi Shiku, Tomokazu Matsue, Shinichi Komaba
掲載誌：Chemical Engineering Journal
掲載日：13 August 2026
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