Operando analysis on interface ionics by high-speed and high-resolution mapping

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04620
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 麻生 亮太郎 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40735362)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 電子顕微鏡解析 / その場観察 / 蓄電固体界面 / ナノ構造解析 / 電圧印加測定

Outline of Research at the Start

本研究では、高速高分解能観測に特化した最先端電子顕微鏡法を用いることにより、実動作中の蓄電固体界面の局所的なイオンダイナミクス現象をリアルタイムかつナノスケールで解明することを目的とする。高度計測環境として、高速高分解能STEM画像取得条件の探索、ダメージレス観察条件の探索を実施することで、蓄電固体界面解析のための電圧印加オペランド観察技術を確立する。さらに、組成分析と電子状態分析の高速化を実現し、電場情報は原子分解能で解明する。従来の電子顕微鏡観察では到達できなかった蓄電固体界面の動的現象を直接反映させた理想的な高度計測を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高速高分解能観測に特化した最先端電子顕微鏡法を用いることにより、実動作中の蓄電固体界面の局所的なイオンダイナミクス現象をリアルタイムかつナノスケールで解明することを目的とする。高度計測環境として、高速高分解能走査透過電子顕微鏡（STEM）画像取得条件の探索、ダメージレス観察条件の探索を実施することで、蓄電固体界面解析のための電圧印加オペランド観察技術を確立する。さらに、組成分析と電子状態分析の高速化を実現し、電場情報は原子分解能で解明する。従来の電子顕微鏡観察では到達できなかった蓄電固体界面の動的現象を直接反映させた理想的な高度計測を実現する。
高速高分解能STEM観察、高速高分解能EDX組成元素マッピング、高速高分解能EELS電子状態マッピングによる蓄電固体界面のオペランド解析のアプローチで、蓄電固体界面におけるイオンダイナミクスの解明、基礎的学理の構築に貢献する。
本年度は、固体電解質を観察する際の電子線照射ダメージの検討を進めてきた。絶縁性薄膜と導電性薄膜を保護層として試料周りに形成することで、電子線照射ダメージを劇的に抑制できることを見出した。これは、導電性薄膜は電子線照射による帯電を抑制し、絶縁性薄膜はイオン移動を抑制していることを実験的に確認し、電池材料解析で問題となる課題を同時に解決する画期的な手法といえる。実際に、従来原子分解能観察が困難であった、電子線に敏感な固体電解質単結晶LATPやLLZを原子分解能で観察することに成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Blocking ion diffusion and minimizing electron charging in solid electrolytes under electron-beam irradiation for transmission electron microscopy analysis (2024)
  • Author(s): Yamamoto Kazuo、Aso Ryotaro、Nakamura Taisuke、Fujiwara Yasuyuki、Iriyama Yasutoshi、Kobayashi Takeshi、Nomura Yuki、Kato Takeharu
  • Journal Title: Journal of Solid State Electrochemistry Volume: - Issue: 12 Pages: 4437-4449
  • DOI: 10.1007/s10008-024-05869-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and electronic characterization of fluorine-doped La0.5Sr0.5CoO3-δ using electron energy-loss spectroscopy (2023)
  • Author(s): Aso Ryotaro、Katsumata Takuya、Nakamura Takashi、Watase Yusuke、Amezawa Koji、Murakami Yasukazu
  • Journal Title: Microscopy Volume: 73 Issue: 1 Pages: 22-30
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfad031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Electrochemical Anion Doping Technique for Expansion of Functional Material Exploration (2023)
  • Author(s): Katsumata Takuya、Yamamoto Hajime、Kimura Yuta、Amezawa Koji、Aso Ryotaro、Kikkawa Soichi、Yamazoe Seiji、Nakamura Takashi
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 33 Issue: 50 Pages: 2307116-2307116
  • DOI: 10.1002/adfm.202307116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] アニオンドープしたペロブスカイト酸化物のSTEM構造解析 (2022)
  • Author(s): 麻生亮太郎、勝又琢也、中村崇司、村上恭和
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
• [Presentation] Structuralanalysis ofanion-doped perovskite oxides by STEM (2022)
  • Author(s): Ryotaro Aso
  • Organizer: 日本顕微鏡学会若手研究部会シンポジウム
• [Remarks] 無機機能性材料の特性を向上させる新しい手法を開発
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/969/
• [Remarks] 無機機能性材料の特性を向上させる新しい手法を開発
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20230911_03web_anion.pdf