【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所/大学院工学研究科　特任教授（客員）/客員教授　熊谷明哉
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【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）とナノ電気化学セル顕微鏡（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を統合した計測手法となります。研究グループは、リチウムイオン電池電極であるリン酸鉄リチウム（注3）を利用して、電極内で生じるリチウムイオンの可逆的な電気化学反応をSECCMの形成する微小液滴内に限定して起こしつつ、その領域内の化学構造の変化をレーザーの散乱光から評価できるラマン分光法で計測しました。得られた結果から、液滴内にて起こるリチウムイオンのリン酸鉄リチウム電極からの脱離過程、および挿入過程における局所的な化学構造変化を、ラマン散乱光の観測にて確認することができました。

本顕微鏡の開発にて、局所的な電気化学と化学構造の変化の同時オペランド計測が可能となり、ナノスケールでの電気化学反応の界面反応解析に成功しました。これにより、リチウムイオン電池の劣化メカニズムや反応不均一性の解明への貢献が期待でき、高性能・長寿命電池の設計指針を提供する新たな知見を提供することができます。さらに本手法は、リチウムイオン電池のみならず、電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、電池・触媒・腐食分野への基盤科学の前進に寄与する新しい基盤技術となることが期待されます。

本研究成果は4月21日（米国時間）に、応用物理学分野の学術誌であるアメリカ物理学会（AIP）の学術誌Applied Physics Lettersに掲載され、「Featured Article」に選出されました。また、本論文は、AIP誌全体から注目すべき成果を特集し解説するAIP広報メディアである「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。

【用語解説】

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 m）以下で開口したガラスピペットに、電解液と疑似参照・対極を挿入し、測定する試料に近づけて微小の液滴を形成する。この液滴を電気化学セルとして電気化学反応場として利用することで、局所的な電流応答の測定とその反応を観察する技術。

注3）　リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）：リチウムイオン電池電極（正極）の材料として使われる化合物であり、発火や発熱が起きにくく安全性が高く、資源的に安価な鉄とリンからなる。数千回以上の充放電サイクル特性を有しており、長寿命な材料として既に市販されている。

【論文情報】

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: 10.1063/5.0319771
*contributed equally(共同筆頭著者)
「Scilight」掲載URL: https://doi.org/10.1063/10.0043715

詳細（プレスリリース本文）

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