研究課題
挑戦的研究(萌芽)
電池等の機能発現に重要な「固体内のイオンの拡散運動」をミュオン素粒子を用いて調べる研究である。特に正のミュオン素粒子と負のミュオン素粒子の両者を使い、その性質の相違を活用して、試料中で拡散するのがミュオンではなくイオンであることを確認しながら、イオンの拡散係数を測定する。各種電池材料の測定から、イオンの拡散を律する要因を抽出し、より良い電池材料の開発につなげる。
固体内で「核磁気を有するイオン」の拡散を検出する手法に、正電荷のミュオン素粒子を使うミュオンスピン回転緩和(muSR)法をがある。物質に打ち込まれた正ミュオンは格子間位置に止まり、イオン拡散に伴う核磁場の揺らぎを検出する。しかし高温では、物質によらず正ミュオン自身も拡散するので、状況は複雑となる。一方、負電荷のミュオン素粒子は、結晶格子を形成する原子に捕獲され、その位置で高温まで安定である。従って、正負ミュオンの両者で、同様な核磁場の揺らぎが検出されれば、その原因はイオン拡散と決定できる。そこで代表的なLi電池材料中の拡散挙動を正負のmuSRで調べ、イオン拡散を検出していることを確認した。
固体中のイオン拡散を測定する手法として提案されたミュオンスピン回転緩和法について、ミュオン自身が拡散している可能性を、負のミュオン素粒子を用いて検証した。典型的なLiイオン電池の正極材料については、Li+が正ミュオンより動的なこと、つまりLi+が拡散していることを示した。これにより、拡散係数を性能指標とした異なる材料間での優劣比較が可能となった。今後開発が進むであろう「全固体電池」においては、固体中のイオン拡散が電池性能を決める。ミュオンスピン回転緩和法が、現行および将来電池の開発に重要なツールとなると期待している。
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