【本学研究者情報】

〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所兼務）　助教　石黒志
国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所、金属材料研究所兼務）　教授　高橋幸生
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 全視野結像型透過X線顕微鏡−X線吸収微細構造計測により、作動中の薄膜型全固体電池の非破壊かつ高分解・広視野を両立した観察を実現しました。
• 充放電中の正極・負極層内の化学状態変化を同視野内で"丸ごと"可視化に成功しました。
• 薄膜型全固体電池システム全体の反応・劣化メカニズムの理解による性能向上が期待されます。

【概要】

電解質を液体から固体に変えた全固体電池は、液漏れによる発火の心配がなく、高温・高圧下などの極限環境でも安全に使用できることから、次世代の二次電池として注目されています。しかし電極/固体電解質界面における大きな界面抵抗や繰り返し使うことで生じる亀裂の発生など、実用化に向けた課題が残っており、課題解決に向けて、電池内の反応・劣化挙動の解明が必須となります。これまで、電子顕微鏡を用いた局所的な高空間分解能観察が多数報告されていますが、空間分解能を維持しつつも電池全体を一度に観察し、各要素の反応・劣化挙動を詳細かつ総合的に解析することは一度の計測実験では困難でした。

東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの石黒志助教と高橋幸生教授、東北大学大学院工学研究科の戸塚務大学院生(当時)と上松英司大学院生、名古屋大学の入山恭寿教授、ファインセラミックスセンターの山本和生主席研究員、高輝度光科学研究センターの関澤央輝主幹研究員らの研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」^（注1）で全視野結像型透過X線顕微鏡−X線吸収微細構造(TXM−XAFS)測定^（注2,3）のもつ空間分解能及び視野サイズと、薄膜型全固体電池の断面スケールが適合することに注目し、充放電過程における正極−電解質−負極層の化学状態変化を同一視野内で"丸ごと"可視化することに初めて成功しました。

電子顕微鏡やX線タイコグラフィ^（注4）などの高空間分解の顕微分光計測とTXM−XAFS法のような広域測定、電池全体の詳細かつ総合的な観察を通して、充放電に伴う化学状態の変化や劣化についての理解が進み、電池性能向上への貢献が期待できます。

本研究成果は2023年8月1日、米化学会が刊行する材料科学専門誌ACS Applied Energy Materialsオンライン版に掲載されました。

【用語解説】

注1. 大型放射光施設「SPring-8」
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設であり、その利用者支援等は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、遠赤外から可視光線、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光を得ることができるため、原子核の研究からナノテクノロジー、バイオテクノロジー、産業利用や科学捜査まで幅広い研究が行われている。

注2. 全視野結像型透過X線顕微鏡(TXM)
フレネルゾーンプレート(FZP)といったレンズの役割を持つ光学素子を用いて、試料の拡大された実像となる透過像を検出器で計測するX線顕微鏡技術。可視光の場合と同様に、試料−FZP間距離 a, FZP−カメラ間距離 b, とFZPの焦点距離 fとの間にはレンズの公式、

が成り立つ。空間分解能はFZPの工作精度に依存し、本実験では〜100 nm程度の分解能で観察可能である。TXMは全視野型の顕微鏡で、均一な広いX線ビームを使い目的の視野を一度の撮影で捉えることができる特徴を持つ。一方で、集光したビーム(X線)を、試料を走査させながら照射し、試料透過後のX線強度の変動を計測する方法を走査型X線顕微鏡といい、こちらはより感度の強い測定に向いている。

注3. X線吸収微細構造(XAFS)
物質に入射するX線のエネルギーを徐々に上げた際に、原子の内殻電子の励起に伴う吸光度の急激な上昇が観測されるエネルギーを指す。吸収端エネルギーは各元素に固有であり、吸収端近傍での吸光度変化は元素の化学状態を反映する。そのため、任意元素の吸収端近傍における吸光度変化を示す「X線吸収スペクトル」を解析することで元素選択的な化学状態分析が可能。なお、電子殻はエネルギー準位が低い順にK殻、L殻、M殻などと名付けられており、それぞれに対応するエネルギーをK吸収端、L吸収端、M吸収端とよぶ。

注4. X線タイコグラフィ
コヒーレントX線回折イメージングと呼ばれるX線顕微法の一つ。試料にコヒーレントX線を照射する際、試料面上でX線照射領域が重なるように試料を二次元的に走査し、各走査点において試料後方で観測されるコヒーレント回折強度パターンを測定する。このようにして得られた複数の回折強度パターンに対して位相回復計算を実行することで試料像が再構成される。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
（東北大学多元物質科学研究所　兼務）
助教　石黒 志（いしぐろ のぞむ）
TEL：022-217-5818
E-mail：nozomu.ishiguro.c1*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
（東北大学多元物質科学研究所　兼務）
（東北大学金属材料研究所　兼務）
教授　高橋 幸生（たかはし ゆきお）
TEL：022-217-5166
E-mail：ytakahashi*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所　広報情報室
TEL：022-217-5198
E-mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）