【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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【発表のポイント】

• 場所ごとに異なる材料や界面が存在するリチウムイオン電池の複合電極において、これまでは平均化されて見えなかった局所的な電気化学反応を、ナノスケールでマッピング（可視化）することに成功しました。
• 直径約100 nmのナノピペットを用いた局所電気化学計測により、シリコン-グラファイト複合負極上の反応を、「グラファイト」、「シリコン」、「両者の混合領域」の3つに識別し、複合電極内部の反応不均一性を明らかにしました。
• 電池の安定性や寿命を大きく左右するSEI（Solid electrolyte interphase）被膜（注１）の形成に関連した反応も、場所によって異なることを示しました。また、材料の局所組成、電気化学反応、界面形成を結び付けて理解する新たな電池評価手法を提示しました。

【概要】

リチウムイオン電池の電極は、活物質、導電助剤、バインダーなど複数の材料から構成される「複合電極」です。そのため、実際の電極内部では材料の種類や分布、界面状態が場所ごとに異なり、電気化学反応も必ずしも均一には進みません。しかし、一般的な電気化学測定では電極間を移動するリチウムイオンに起因する電流の評価を測定するため、このような場所ごとの反応の違いは平均化され、見えにくくなります。

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（客員）兼任）らの研究グループは、ナノ電気化学セル顕微鏡（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。直径約100 nmの開口径を持つナノピペット先端に形成される微小な電解液メニスカスを電極表面に接触させ、その場所だけの電気化学反応を測定しました。また、実際のリチウムイオン電池の特性評価に近い環境で測定するため、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で有機電解液とリチウム金属電極を用い、さらに電解液をナノピペット内でゲル化することで、安定した局所測定を実現しました。その結果、同じ複合電極上でも、各材料に特徴的な反応と両者が重なった反応が場所ごとに異なって現れることを明らかにしました。さらに、電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、その反応が電極表面で一様ではなく、空間的に不均一に分布していることを示しました。

本成果は、蓄電池電極を一つの「平均的な材料」として評価する従来の考え方から一歩進み、「どの場所で、どの材料が、どのような反応をしているのか」を局所電気化学計測から読み解く新しい電池評価の考え方を示すものです。今後、材料配置や界面状態と局所反応の関係を明らかにすることで、複合電極の設計・最適化や、電池劣化機構の理解につながること、また他の電気化学反応が関与する電極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（現地時間）に、Chemical Engineering Journalにオンライン掲載されました。

図 1. SECCMのナノピペットを用いたシリコン-グラファイト複合負極の局所測定の模式図。各材料（シリコンやグラファイト）の反応、さらにSEI被膜が形成される領域を場所ごとに計測・マッピングし、調べることができる。

【用語解説】

注１）　SEI被膜：リチウムイオン電池の負極表面で有機系電解液の分解などによって形成される被膜。電極と電解液のさらなる反応を抑制する役割を持ち、その形成状態は電池の安定性、サイクル特性、寿命に関与する。

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

【論文情報】

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
DOI：10.1016/j.cej.2026.180693

詳細（プレスリリース本文）

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