内本喜晴 人間?環境学研究科教授らの研究グループは、高輝度光科学研究センター、群馬大学、立命館大学、ノースイースタン大学（米国）、アントワープ大学（ベルギー）、AGH科学技術大学（ポーランド）と共同で、大型放射光施設SPring－8の高輝度?高エネルギーの放射光X線を利用した実験と理論計算の併用により、蓄電池の性能を決める電子軌道の可視化に成功しました。
本研究成果は、2017年8月23日に米国科学振興協会（AAAS）のオープンアクセス誌「Science Advances」に掲載されました。
研究者からのコメント
本研究で开発した手法を用いて、电池动作を原子レベルで理解したり、诊断したりできるようになり、大容量で高速充放电可能な高性能电池の设计?开発が进むものと期待されます。
本研究成果のポイント
- 高エネルギー齿线散乱実験と理论计算の併用により、リチウムイオン电池の性能を决める电子轨道の可视化を行った。
- 散乱齿线を解析することにより、电池内の电位シフトをモニターできることを示した。
- リチウムイオン电池の诊断や高性能化に贡献することが期待される。
概要
リチウムイオン电池では、リチウムの伝导电子が正极材料物质に移动することで、电流が発生します。正极材料物质が电子を受け取ったときに、その电子が収まる电子轨道を酸化还元轨道と呼んでいます。酸化还元轨道は电位や电池容量などの电池性能を决める重要な因子として知られていますが、実験上の难しさにより、その状态は明らかにされていませんでした。
本研究グループは、100办别痴以上の高エネルギー齿线を用いたコンプトン散乱法という手法により、安全かつ高性能な蓄电池极材として知られるオリビン型リン酸鉄リチウムを测定し、高信頼度の理论计算と连携することにより、オリビン型リン酸鉄リチウムの多结晶体试料から酸化还元轨道の可视化に成功しました。
その结果、酸化还元轨道は正极材料物质の结晶歪みの具合によって大きく変化するだけでなく、酸化还元轨道の状态変化は重要な电池性能の一つである电位の変化に比例していることがわかりました。すなわち、この知见を応用することで、高エネルギー齿线を利用したコンプトン散乱法により电位シフトを计测できます。
図：正极材料物质：オリビン型リン酸鉄リチウムの结晶构造
详しい研究内容について
书誌情报
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Hasnain Hafiz, Kosuke Suzuki, Bernardo Barbiellini, Yuki Orikasa, Vincent Callewaert, Staszek Kaprzyk, Masayoshi Itou, Kentaro Yamamoto, Ryota Yamada, Yoshiharu Uchimoto, Yoshiharu Sakurai, Hiroshi Sakurai and Arun Bansil(2017). Visualizing redox orbitals and their potentials in advanced lithium-ion battery materials using high-resolution x-ray Compton scattering. Science Advances, 3(8), e1700971.
- 科学新聞（9月8日 2面）に掲載されました。
