Nanoscale Electrochemical Operand Measurement System with Raman Spectroscopy

• Project/Area Number: 17K19135
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Inorganic/Coordination chemistry, Analytical chemistry, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kumatani Akichika 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (50568433)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2017: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: リチウムイオン電池 / 電気化学 / ラマン分光法 / 走査型プローブ顕微鏡 / 分析化学 / 走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 / 分析科学

Outline of Final Research Achievements

In this research, nanoscale electrochemical operand measurement system with Raman spectroscopy was developed. The system is based on a nanopipette used in electrochemical microscopy. The system can measure lithium-ion (de)intercalation process on the electrode of lithium-ion batteries with cyclic voltammogram and Raman spectrum at the same time during the (de) intercalation process as operand measurement. It was demonstrated by on edge/basal plane of HOPG substrate.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本計測機構を開発することにより、リチウムイオン電池内で起こるイオンの脱挿入反応を電気化学反応と光学特性（ラマン散乱光）の同時計測が可能となった。また、ナノピペットを用いることにより、通常計測が困難であったナノスケール領域での電極内の反応性の変化を追うことが可能となった。今後は電気化学顕微鏡などの走査機構を持つ計測技術に融合することで、電極内における反応性の分布と構造変化や析出物などの同時計測および可視化が可能となることが期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
• [Int'l Joint Research] National Taiwan University/Taipei Medical University(その他の国・地域)
• [Journal Article] Chemical dopants on edge of holey graphene accelerate electrochemical hydrogen evolution reaction (2019)
  • Author(s): A. Kumatani, C. Miura, H. Kuramochi, T. Ohto, M. Wakisaka, Y. Nagata, H. Ida, Y. Takahashi, K. Hu, S. Jeong, J. Fujita, T. Matsue, Y. Ito,
  • Journal Title: Adv. Sci. Volume: - Issue: 10 Pages: 1900119-1900119
  • DOI: 10.1002/advs.201900119
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Scanning electrochemical cell microscopy for visualization and local electrochemical activities of lithium‐ion (de) intercalation process in lithium‐ion batteries electrodes (2019)
  • Author(s): Akichika Kumatani, Yasufumi Takahashi, Chiho Miura, Hiroki Ida, Hirotaka Inomata, Hitoshi Shiku, Hirokazu Munakata, Kiyoshi Kanamura, Tomokazu Matsue
  • Journal Title: Surface and Interface Analysis Volume: 51 Issue: 1 Pages: 27-30
  • DOI: 10.1002/sia.6538
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 単層/二層WS2における水素発生反応のナノスケール電気化学イメージング (2019)
  • Author(s): 小川 寛人、熊谷 明哉、遠藤 尚彦、小林 佑、井田 大貴、高橋 康史、末永 智一 、宮田 耕充 、珠玖 仁
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ナノ電気化学セルを用いたリチウムイオン電池負極の規定構造領域における SEI形成過程の検証 (2019)
  • Author(s): 熊谷明哉, 佐藤悠人, 高橋康史, 珠玖仁, 末永智一
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Nanoscale electrochemical imaging for hydrogen evolution reaction on WS2 mono-/bilayers (2019)
  • Author(s): Hiroto Ogawa, Akichika Kumatani, Takahiko Endo, Yu Kobayashi, Hiroki Ida, Yasufumi Takahashi, Tomokazu Matsue, Yasumitsu Miyata, Hitoshi Shiku
  • Organizer: 日本化学会99春季年会
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging for Functional Materials (2019)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: 2019 Taiwan-Nippon Workshop on Innovation of Emergent Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging for Energy Functional Materials (2019)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: Japan-Taiwan Workshop on Electrochemistry JTWE 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SnS2二次元薄膜における水素発生反応のナノスケール電気化学イメージング (2018)
  • Author(s): 小川寛人、熊谷明哉、上野啓司、遠藤尚彦、小林佑、宮田耕充、井田大貴、高橋康史、末永智一、珠玖仁
  • Organizer: 日本分析化学会第67年会
• [Presentation] 水素貯蔵合金表面におけるナノ電気化学イメージング (2018)
  • Author(s): 安永幹生、熊谷明哉、田中元基、高橋康史、末永智一、珠玖仁
  • Organizer: 日本分析化学会第67年会
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡とToF-SIMSを用いた SEI 生成制御とその評価 (2018)
  • Author(s): 佐藤悠人、熊谷明哉、渡邊徹弥、珠玖仁、末永智一
  • Organizer: 第49回セミコンファレンス、第31回東北若手の会
• [Presentation] ナノ電気化学イメージングによるグラフェン構造欠陥の検証 (2018)
  • Author(s): 志村実優、熊谷明哉、井田大貴、珠玖仁、Y. P. Chen、末永智一
  • Organizer: 第49回セミコンファレンス、第31回東北若手の会
• [Presentation] グラフェンエッジにおける電気化学活性のナノスケール電気化学イメージング (2018)
  • Author(s): 熊谷 明哉、三浦 千穂、高橋 康史、井田 大貴、珠玖 仁、末永 智
  • Organizer: 日本分析化学会 第67年会
• [Presentation] ナノ電気化学イメージングによる電気化学反応の可視化:二次電池電極から水素貯蔵合金まで (2018)
  • Author(s): 熊谷明哉
  • Organizer: 「鉄鋼関連材料の化学状態分析の新しい展開」フォーラム 第2回講演会
  • Invited
• [Presentation] Scanning Electrochemical Microscopy for Nanoscale Electrochemical Imaging on Energy Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani, Yasufumi Takahashi, Tomokazu Matsue
  • Organizer: 2019年度化学系学協会東北大会
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging by Spatially Resolved Electrochemical Microscopy: From Battery Electrodes to 2D Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: AI-Mat seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatially resolved electrochemical imaging on energy materials: From battery electrodes to 2D materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: TCECM 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualization of Electrochemical Activities on 2D Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: isCEBT2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging of Aligned Semiconducting and Metallic Single-Walled Carbon Nanotube Bundles (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani, Takeru Okada, Takahashi Yasufumi, Miyu Shimura, Hitoshi Shiku, Seiji Samukawa, Tomokazu Matsue
  • Organizer: AiMES 2018 ECS and SMEQ Joint International Meeting（国際学会）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatially Resolved Electrochemical Imaging on Energy Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: nanoHUB
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging on Energy Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: UCL-Tohoku Partnership ‘kick-off’ workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging for Functional Energy Materials (2018)
  • Author(s): A. Kumatani, Y. P. Chen, Y. Takahashi, T. Matsue
  • Organizer: 2018 Sustainable Industrial Processing Summit & Exhibition SIPS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging by Scanning Electrochemical Microscopies on Energy Materials (2018)
  • Author(s): Akichika Kumatani
  • Organizer: uTAS2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanoscale Electrochemical Imaging for 2D Materials (2018)
  • Author(s): A. Kumatani
  • Organizer: International Workshop on Frontier and Cutting-edge Technologies over 2D Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電気化学イメージングによる金属/半導体カーボンナノチューブの酸化還元反応の検証 (2018)
  • Author(s): 志村 実優，熊谷 明哉，岡田 健，三浦 千穂，井田 大貴，寒川 誠二，珠玖 仁， 高橋 康史，末永 智一
  • Organizer: 電気化学会第85回大会
• [Presentation] 酸化還元反応の差異による半導体・金属カーボンナノチューブの検出 (2018)
  • Author(s): 熊谷 明哉，志村 実優，高橋 康史，三浦 千穂，岡田 健，井田 大貴，珠玖 仁，寒川 誠二，末永 智一
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Visualization of Electrochemical Activities on Energy Materials by Scanning Electrochemical Cell Microscopy (2017)
  • Author(s): A. Kumatani
  • Organizer: The 3rd Tohoku Univ. & GREEN Joint Symposium
  • Invited
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡を用いたグラフェン/グラファイト表面構造における電気化学活性の評価 (2017)
  • Author(s): 三浦千穂，熊谷明哉，岡田健，寒川誠二，珠玖仁，高橋康史，末永智一
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] グラフェン・グラファイトの表面構造におけるナノ電気化学イメージング (2017)
  • Author(s): 熊谷明哉
  • Organizer: 日本分析化学会東北支部：平成29年度東日本若手交流会
  • Invited
• [Presentation] Scanning Electrochemical Cell Microscopy for Analyzing Local Electrochemical Performance at Lithium-ion Battery Electrodes (2017)
  • Author(s): A. Kumatani, Y. Takahashi, H. Shiku, T. Matsue
  • Organizer: IWNET-2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡を用いたBCC系合金における水素貯蔵過程の可視化 (2017)
  • Author(s): 熊谷明哉, 田中元基、近真紀雄、陶山博司、西山博史、中西真二、珠玖仁、高橋康史、射場英紀、末永智一
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡を利用したBCC系合金表面における水素吸蔵反応分布の観察 (2017)
  • Author(s): 田中元基、熊谷明哉、近真紀雄、陶山博司、西山博史、珠玖仁、高橋康史、射場英紀、末永智一
  • Organizer: 第56回電池討論会
• [Presentation] Scanning Electrochemical Cell Microscopy for Visualization of Lithium-ion (De)intercalation Process in Lithium-ion Batteries Electrodes (2017)
  • Author(s): A. Kumatani, Y. Takahashi, H. Munakata, H. Shiku, K. Kanamura and T. Matsue
  • Organizer: ALC’17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Redox Activities on the Surface/Edge Structures of Graphene/Graphite (2017)
  • Author(s): A. Kumatani, C. Miura, H. Shiku, Y. Takahashi, T. Matsue
  • Organizer: 232th ECS Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SECCM Analysis for Investigation of functionalities of Negative Electrodes on Lithium-ion Battery (2017)
  • Author(s): A. Kumatani, Y. Sato, Takahashi, Kubota, H. Shiku, S. Komaba and T. Matsue
  • Organizer: SECM-9
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡によるタンパク質薄膜の電荷マッピング (2017)
  • Author(s): 今井俊輔, Fei Li, Peng Yang, 井田大貴, 熊谷明哉, 高橋康史, 伊野浩介, 珠玖仁, 末永智一
  • Organizer: 電気化学東北支部：第30回東北若手の会
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡を用いたグラフェンの電気化学応答評価 (2017)
  • Author(s): 三浦千穂、熊谷明哉、岡田健、高橋康史、珠玖仁、寒川誠二、末永智一
  • Organizer: 電気化学東北支部：第30回東北若手の会
• [Presentation] 金属/半導体単層カーボンナノチューブのナノ電気化学イメージング (2017)
  • Author(s): 志村実優、熊谷明哉、岡田健、高橋康史、珠玖仁、寒川誠二、末永智一
  • Organizer: 化学系学協会東北大会
• [Presentation] Scanning Electrochemical Cell Microscopy for Investigation of Negative Composite Electrodes in Lithium-ion Batteries (2017)
  • Author(s): Y Sato, A. Kumatnai, Y. Takahashi, K. Kubota, S. Shiku, S Komaba, T. Matsue
  • Organizer: 化学系学協会東北大会
• [Presentation] Redox Activity on Metallic and Semiconducting Single Walled Carbon Nanotubes by Nanoscale Meniscus (2017)
  • Author(s): M. Shimura, A. Kumatnai, T Okada, Y. Takahashi, H. Shiku, S. Samukawa, T. Matsue
  • Organizer: 化学系学協会東北大会
• [Presentation] ナノ電気化学セル顕微鏡を利用したリチウムイオン電池用Si-黒鉛複合電極表面の電池特性評価 (2017)
  • Author(s): 佐藤悠人、熊谷明哉、高橋康史、久保田圭、珠玖仁、駒場慎一、末永智一
  • Organizer: 日本分析化学会東北支部：平成29年度東日本若手交流会