イオン伝導性を調べる新しい強力な分析手法を開発(Argonne-led team introduces a powerful new method for probing ionic conductivity)

2026-11-03 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国エネルギー省アルゴンヌ国立研究所を中心とする研究チームは、固体材料内部におけるイオンの移動と相互作用を詳細に解析する新しい計測手法「4次元準弾性中性子散乱法(4D-QENS)」を開発した。本手法は、オークリッジ国立研究所の核破砕中性子源(SNS)を利用し、単結晶試料を回転させながら中性子を照射することで、イオンの移動方向、移動速度、相互作用を3次元空間とエネルギーの4次元情報として取得する。従来の測定では、イオンが個別に拡散する現象の解析が中心だったが、新手法では複数のイオンが相互に影響しながら移動する「相関運動」を直接示す証拠を得た。塩化ストロンチウムの単結晶を用いた実験では、イオンの格子間移動に加え、相互作用がイオンの移動を促進する場合と、移動を妨げる場合があることを明らかにした。この成果は、固体電解質中のイオン伝導メカニズムの理解を深め、次世代全固体電池の高性能化や安全性向上に向けた材料設計に貢献すると期待される。

イオン伝導性を調べる新しい強力な分析手法を開発(Argonne-led team introduces a powerful new method for probing ionic conductivity)
When ions hop from one lattice site to another (left), the energy broadening of 4D-QENS (right) shows us which sites they hop between and how fast the hopping rate is. (Image: Raymond Osborn/Argonne National Laboratory)

<関連情報>

イオン伝導の相関に関する4次元準弾性中性子散乱(4D-QENS)解析Sr⁢Cl2 Four-Dimensional Quasielastic Neutron Scattering (4D-QENS) Analysis of Correlated Ionic Conduction in Sr⁢Cl2

Jared Coles, Omar Chmaissem, Matthew Krogstad, Daniel M. Pajerowski, Feng Ye, Duck Young Chung, Mercouri G. Kanatzidis, Stephan Rosenkranz, and Raymond Osborn
PRX Energy  Published: 14 April, 2026
DOI:: https://doi.org/10.1103/b93d-755s

Abstract

Methods of elucidating the mechanisms of fast-ion conduction in solid-state materials are pivotal for advancements in energy technologies such as batteries, fuel cells, sensors, and supercapacitors. In this study, we examine the ionic conduction pathways in single crystal Sr⁢Cl2, which is a fast-ion conductor above 900 K, using four-dimensional quasielastic neutron scattering (4D-QENS). We explore both coherent and incoherent neutron scattering at temperatures above the transition temperature into the superionic phase to explore the correlated motion of hopping anions. Refinements of the incoherent QENS yield residence times and jump probabilities between lattice sites in good agreement with previous studies, confirming that ionic hopping along nearest-neighbor directions is the most probable conduction pathway. However, the coherent QENS reveals evidence of de Gennes narrowing, indicating the importance of ionic correlations in the conduction mechanism. This highlights the need for improvements both in the theory of ionic transport in fluorite compounds and the modeling of coherent 4D-QENS in single crystals.

2004放射線利用
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