電池材料に入り込むイオンの「居場所」の違いを解明 ―東北大学東北先端顕微鏡センターと3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuを活用し、原子レベルの変化を明らかに―

2026-11-11 東北大学

東北大学の研究グループは、次世代蓄電池の正極材料として期待されるホランダイト型二酸化マンガン(α-MnO₂)において、挿入されるイオンの種類によって、結晶内部での占有位置や濃度分布が異なることを原子レベルで明らかにした。研究では、リチウムに代わる資源豊富なナトリウム、マグネシウム、カルシウムなどのイオンを対象に、電子顕微鏡と3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuのX線吸収分光を組み合わせて解析した。その結果、一次元トンネル構造の内部におけるイオンの位置や粒子内部・表面への分布がイオン種によって異なり、それに伴って周囲の電子状態や結晶骨格のゆがみも変化することを確認した。さらに、こうした局所構造の変化が電極の反応挙動や性能劣化に関係することを示した。本成果は、イオンの種類に応じた電極材料の構造設計に新たな指針を与え、資源制約の少ない高容量・長寿命の次世代蓄電池の開発に貢献すると期待される。

電池材料に入り込むイオンの「居場所」の違いを解明 ―東北大学東北先端顕微鏡センターと3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuを活用し、原子レベルの変化を明らかに―
図1. ホランダイト型α-MnO2の結晶構造と合成粒子の走査型電子顕微鏡(SEM)と環状明視野走査透過電子顕微鏡(ABF-STEM)画像

<関連情報>

ホランダイト型MnO2 における空間的に不均一な挿入の原子スケール起源 Atomic-Scale Origin of Spatially Heterogeneous Insertion in Hollandite-Type MnO2

Hongyi Li; Yue Qi; Shusuke Fukui; Yuichiro Hayasaka; Xiatong Ye; Kakeru Kobayashi; Tomoya Kawaguchi; Tetsu Ichitsubo
Chemistry of Materials  Published:November 04, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6c02510

Abstract

Hollandite-type α-MnO2 is a prototypical tunnel-structured host for rechargeable batteries, yet the atomic-scale mechanisms governing multivalent-ion insertion remain poorly understood. Here, we reveal how guest-ion species dictate electrochemical reaction pathways through distinct occupation modes within the one-dimensional tunnels of α-MnO2. By combining electrochemical analyses, atomic-resolution scanning transmission electron microscopy, and soft X-ray absorption spectroscopy, we directly correlate reaction kinetics with guest-ion configurations and the accompanying structural and electronic responses of the host framework. Electrochemical measurements reveal substantial diffusion-controlled contributions for both Na+ and Mg2+, whereas Ca2+ exhibits predominantly surface-controlled behavior. Atomic-resolution imaging demonstrates that, despite their comparable macroscopic kinetic contributions, Na+ and Mg2+ exhibit distinctly different microscopic insertion modes: Na+ homogeneously occupies the tunnel-center sites throughout the particles, whereas Mg2+ occupies both tunnel-center and off-center sites, with pronounced near-surface enrichment accompanied by local tunnel distortion. In contrast, the Ca2+ reaction is largely confined to the near-surface region, with no clearly detectable occupation of the internal tunnel sites. Soft X-ray absorption spectroscopy further reveals spatially heterogeneous Mn reduction, with more pronounced reduction near the structurally less constrained particle surface. These results establish a direct relationship between guest-ion occupation modes, electrochemical reaction pathways, and the resulting structural evolution, providing an atomic-scale design principle for engineering tunnel-type host materials for multivalent-ion insertion.

0703金属材料
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