リチウムイオン電池の複合電極に潜む「不均一な反応」をナノ技術で捉えることに成功 ― 従来の「平均値」による評価を打破し、最適な電池設計を可能にする新たな評価手法を開発 ―

2026-08-27 東北大学

リチウムイオン電池のシリコン―グラファイト複合負極について、従来の電極全体を平均化した測定では捉えにくかった局所的な電気化学反応を、ナノ電気化学セル顕微鏡(SECCM)で可視化することに成功した。直径約100 nmのナノピペットを用いて反応をマッピングした結果、グラファイト、シリコン、両者の混合領域で反応特性が異なることが判明し、複合電極内部の反応不均一性が明らかになった。また、電池の安定性や寿命を左右するSEI被膜の形成反応も場所によって異なることを確認。局所組成、電気化学反応、界面形成を結び付けて評価する新手法により、複合電極の設計・最適化や劣化機構の解明への道を開いた。

リチウムイオン電池の複合電極に潜む「不均一な反応」をナノ技術で捉えることに成功 ― 従来の「平均値」による評価を打破し、最適な電池設計を可能にする新たな評価手法を開発 ―
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。

<関連情報>

シリコン-グラファイト複合負極における局所的な電気化学的特徴とSEI形成経路 Local electrochemical signatures and SEI formation pathways in silicon-graphite composite negative electrodes

Akichika Kumatani, Yuto Sato, Yasufumi Takahashi, Hiroki Ida, Hitoshi Shiku, Tomokazu Matsue, Shinichi Komaba
Chemical Engineering Journal  Available online: 13 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.180693

Highlights

  • SECCM mapping at 100 nm resolution reveals local electrochemistry in composites
  • SEI heterogeneity is revealed beyond conventional bulk measurements
  • High-resolution mapping is achieved under realistic glovebox battery conditions
  • Si/C domains are resolved, showing composition-dependent electrochemical behavior
  • SEI pathways depend strongly on local composition, informing electrode design

Abstract

The spatial heterogeneity of composite electrodes is a key factor governing their electrochemical performance and stability, yet local electrochemical behavior is difficult to resolve using conventional bulk techniques. This challenge is particularly critical in lithium-ion batteries, especially for composite negative electrodes, where complex distributions of active materials lead to poorly understood interfacial processes such as solid electrolyte interphase (SEI) formation. Here, we employ scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) to visualize nanoscale electrochemical activity in silicon-graphite composite electrodes. Localized cyclic voltammetry (CV) enables high-resolution mapping of electrochemical responses, allowing clear classification of graphite-dominant, silicon-dominant, and mixed domains within a single electrode. Furthermore, we demonstrate that SEI formation strongly depends on the local composition. Silicon-rich regions exhibit pronounced irreversible reactions associated with alloying, whereas graphite-dominant regions show more stable behavior. Mixed domains display intermediate characteristics, suggesting their role in mediating interfacial processes. These findings provide direct insight into spatially heterogeneous electrochemical behavior and offer new guidelines for the design of high-performance composite electrodes.

0402電気応用
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