全固体電池材料の真の姿をX線レーザーで観察~乳がんのX線画像の新規解析法を発展させ固体電解質の海島構造を鮮明化~

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2022-05-26 北海道大学,立命館大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センター

ポイント

●電子顕微鏡観察すると徐々に変質してしまう固体電解質を,フェムト秒X線レーザーで瞬間撮影。
●新規開発のデジタル画像処理により,電池性能に深く関わる海島構造のかすかな姿を鮮明化。
●全固体電池による,より安心・安全で高性能な電気自動車の実現への期待。

概要

北海道大学電子科学研究所の鈴木明大准教授,西野吉則教授,立命館大学生命科学部の折笠有基教授,高輝度光科学研究センターの城地保昌チームリーダー(理化学研究所放射光科学研究センタービームライン制御解析チーム)らの研究グループは,より安心・安全で高性能な電気自動車の実現に向けて開発が進められている全固体電池用の硫化物系固体電解質を,X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAを用いて,無損傷かつナノスケールで観察することに成功しました。高性能な固体電解質材料の開発にはナノスケールでの構造解析が欠かせませんが,本材料は潮解性があることに加え,一般的な電子顕微鏡やX線顕微鏡では,電子やX線を照射することで構造が変化してしまうという課題がありました。本研究では,独自開発の液体試料セルに有機溶媒ごと試料を閉じ込めることで潮解を防ぎ,さらに,フェムト秒という極めて短い発光時間のXFELを用いることで,試料のありのままの姿を捉えました。加えて,乳がんのX線画像診断法であるマンモグラフィにおいて,かすかな病変の検出が期待される新規の画像処理法を発展させたMorphoCIEPと名付けた手法を開発し,固体電解質粒子の”アモルファスの海”の中の”ナノ結晶の島”を浮き彫りにしました。従来手法では困難だったこの”海島構造”の真の姿の解明は,電池性能の鍵を握るリチウムイオン伝導度の向上に繋がると期待されます。なお,本研究はSACLA産業利用推進プログラムの一環として,トヨタ自動車株式会社の山重寿夫博士,田中展望博士のご協力のもと行われました。

本研究成果は,2022年5月26日(木)公開のNano Letters誌に掲載されました。また,掲載号のSupplementary journal coverにも選出されています。

詳しい資料は≫


本研究のイメージ図。全固体電池性能の鍵を握る固体電解質材料の内部構造をX線レーザーによって可視化した。

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