次世代「ナトリウムイオン電池」の充電メカニズムを世界で初めて直接観測! — 中性子散乱を用いたマルチスケール観測で、ハードカーボンの謎を特定 —

2026-02-27 東北大学

東北大学金属材料研究所を中心とする研究グループは、中性子散乱を用いてナトリウムイオン電池の負極材ハードカーボンにおける充電過程を世界で初めて直接観測した。J-PARCセンターの中性子小角・広角散乱装置「大観」により、充放電中をリアルタイム観察するオペランド測定を実施。ナトリウムが①表面・欠陥への吸着、②層間挿入、③ナノ空隙充填の三段階で蓄積する機構を特定した。100ナノからオングストロームまでのマルチスケール解析により、資源制約の少ない次世代電池の高性能化に向けた設計指針を提示。成果は『Chemical Science』に掲載された。

次世代「ナトリウムイオン電池」の充電メカニズムを世界で初めて直接観測! — 中性子散乱を用いたマルチスケール観測で、ハードカーボンの謎を特定 —
図1 中性子小角・広角散乱装置「大観」の外観と「大観」で観測されるマルチスケールの様子。

<関連情報>

オペランド小角および広角中性子散乱測定によるハードカーボン中のナトリウム貯蔵に関するマルチスケールの洞察 Multiscale insights into sodium storage in hard carbon from operando small- and wide-angle neutron scattering measurements

Yoshihiko Umemoto, Kazuki Ohishi, Daisuke Igarashi, Ryoichi Tatara, Che-an Lin, Kosuke Nakamoto, Yukihiko Kawamura, Kosuke Hiroi, Shin-ichi Takata, Yusuke Nambu, Yoshitaka Tateyama and Shinichi Komaba
Chemical Science  Published:25th February 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D5SC09600F

Abstract

Understanding the sodium (Na) storage mechanism in hard carbon (HC) is critical for the development of high-performance Na-ion batteries, which are a promising alternative to lithium-ion batteries owing to the abundance and low cost of Na. In this study, we investigate the Na storage mechanism in commercial HC using operando small- and wide-angle neutron scattering (SANS and WANS). The experiments cover a wide range of scattering vectors, enabling the simultaneous observation of the structural evolution of nanoporous regions and graphene layers during electrochemical charging. Both SANS and WANS analyses reveal that Na storage proceeds sequentially via initial surface adsorption, subsequent insertion into graphene layers, and final filling of nanopores. These results demonstrate the effectiveness of simultaneous operando SANS and WANS measurements for elucidating the complex, multiscale mechanisms of Na storage in HC.

0402電気応用
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