負のミュオン素粒子を用いた固体内イオン拡散の解明

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21149
• 研究機関: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• 研究代表者: 杉山 純 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 特任研究員 (40374087)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• キーワード: イオン拡散 / リチウム / 電池 / ミュオンスピン回転緩和 / 負ミュオン

研究実績の概要

Liイオン電池の正極材料は、層状岩塩構造、スピネル構造、オリビン構造に大別される。これらについてはmu±SRで核磁場揺らぎの温度依存性を測定し、拡散種がmu+ではなくLi+であることを確認した。この知見を基に、オペランドmu+SR測定によりLixCoO2中のDJを求めたところ、反応面積を規定しやすい薄膜試料の電気化学測定結果とほぼ一致する結果を得た。
Li電池材料のmu-SR測定では、ミュオンLi原子（mu-Li）からの信号が不可避的に含まれる。そこで、Li金属単体のmu-SRスペクトルを室温から５Kまでの温度範囲で測定し、横磁場回転スペクトルが緩和しないことを確認した。これはLi核スピンとmu-スピンの超微細結合磁場が大きすぎて、周囲のLi核による双極子磁場を隠してしまうためと思われる。また、大気中で不安定なLi金属でも安定してmu-SR測定できる測定容器も開発済みである。
種々のミュオン原子の崩壊により発生する異なる寿命のmu-信号からなるスペクトルの解析法については、理論式を導出し[Muon Spin Spectroscopy: An Introduction (Oxford, 2022)]、さらに実験結果に適合する解析法も提案した。これらの実験と解析結果を2022年8月にパルマ（イタリア）で開催されたmuSR2020国際会議で発表した。
ミュオン原子近傍の局所歪みが核磁場へ及ぼす影響については、核磁場を形成するのが双極子磁場なので、影響は少ないと予想している。これは、近接原子間の交換相互作用が重要な電子磁性の場合と比べると大きな相違である。しかしより定量的に影響を見積もるため、ミュオン誘起局所歪み計算の専門家と共同研究を実施中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

英国施設のアップグレードがコロナの影響で1年以上遅れた。このため2022年秋に実施予定だったLi電池用固体電解質材料のmu±SR実験が2023年夏以降に延期された。それを除けばLi電池用材料の測定はほぼ終了し、その成果も順調に公開されている。

今後の研究の推進方策

英国施設での固体電解質の実験により、Li電池材料に関する一連のmu±SR実験はほぼ終了する。結果を論文として公表する。

次年度使用額が生じた理由

英国実験施設ISISの大規模改修工事がコロナのために遅延し、2022年秋に実施予定だった実験が、2023年夏以降に延期されたから。

研究成果

• [国際共同研究] カナダ加速器センター（TRIUMF）(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: カナダ加速器センター（TRIUMF）
• [国際共同研究] ラザフォード・アップルトン研究所（RAL/ISIS）/オックスフォード大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ラザフォード・アップルトン研究所（RAL/ISIS）/オックスフォード大学
• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所（PSI）(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ポール・シェラー研究所（PSI）
• [国際共同研究] 王立工科大学（KTH）/シャルマース工科大学(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: 王立工科大学（KTH）/シャルマース工科大学
• [国際共同研究] バベシュ・ボヤイ大学(ルーマニア)
  • 国名: ルーマニア
  • 外国機関名: バベシュ・ボヤイ大学
• [雑誌論文] Negative muon spin rotation and relaxation on superconducting MgB2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Forslund Ola K.、Nocerino Elisabetta、Sassa Yasmine、M?nsson Martin、Hillier Adrian、Ishida Katsuhiko
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012059-1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012059
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Properties of Multifunctional 7LiFePO4 under Hydrostatic Pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Miniotaite Ugne、Forslund Ola Kenji、Nocerino Elisabetta、Elson Frank、Palm Rasmus、Matsubara Nami、Ge Yuqing、Khasanov Rustem、Kobayashi Genki、Sassa Yasmine、Weissenrieder Jonas、Pomjakushin Vladimir、Andreica Daniel、Sugiyama Jun、M?nsson Martin
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012049-1-8
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012049
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sodium Diffusion in Hard Carbon Studied by Small- and Wide-Angle Neutron Scattering and Muon Spin Relaxation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Kawamura Yukihiko、Hiroi Kosuke、Suzuki Jun-ichi、Umegaki Izumi、Nishimura Shoichiro、Koda Akihiro、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012048-1-5
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Negative muon spin rotation and relaxation on Li metal (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Umegaki Izumi、Takeshita Soshi、Nakano Takehito、Ninomiya Kazuhiko、Shimomura Koichiro、Kenya Kubo M.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012045-1-5
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012045
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic nature of wolframite MgReO4 (2023)
  • 著者名/発表者名: Nocerino Elisabetta、Forslund Ola K.、Wang Chennan、Sakurai Hiroya、Elson Frank、Palm Rasmus、Miniotaite Ugne、Ge Yuqing、Sassa Yasmine、Sugiyama Jun、M?nsson Martin
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012037-1-8
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012037
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The internal magnetic field in a ferromagnetic compound Y2Co12P7 (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Ohta Hiroto、Kato Yusuke、Katori Hiroko Aruga、Forslund Ola K.、Nocerino Elisabetta、Matsubara Nami、Konstantinos Papadopoulos、Johansson Fredrik O. L.、Sassa Yasmine、M?nsson Martin、Hitti Bassam、Arseneau Donald、Morris Gerald D.、Brewer Jess H.、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2462 ページ: 012008-1-8
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nuclear and magnetic spin structure of the antiferromagnetic triangular lattice compound LiCrTe2 investigated by $$\mu ^+$$SR, neutron and X-ray diffraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Nocerino E.、Witteveen C.、Kobayashi S.、Forslund O. K.、Matsubara N.、Zubayer A.、Mazza F.、Kawaguchi S.、Hoshikawa A.、Umegaki I.、Sugiyama J.、Yoshimura K.、Sassa Y.、von Rohr F. O.、M?nsson M.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 21657-1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-022-25921-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of mixed anion ordered state on the magnetic ground states of S=1/2 square-lattice quantum spin antiferromagnets, Sr2NiO3Cl and Sr2NiO3F (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsujimoto Yoshihiro、Sugiyama Jun、Ochi Masayuki、Kuroki Kazuhiko、Manuel Pascal、Khalyavin Dmitry D.、Umegaki Izumi、M?nsson Martin、Andreica Daniel、Hara Shigeo、Sakurai Takahiro、Okubo Susumu、Ohta Hitoshi、Boothroyd Andrew T.、Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 114404-1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.114404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure driven magnetic order in Sr1-xCaxCo2P2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Forslund Ola Kenji、Andreica Daniel、Sassa Yasmine、Imai Masaki、Michioka Chishiro、Yoshimura Kazuyoshi、Guguchia Zurab、Shermadini Zurab、Khasanov Rustem、Sugiyama Jun、M?nsson Martin
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 17526-1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-022-21699-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Operando Muon Spin Rotation and Relaxation Measurement on LiCoO2 Half-Cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Umegaki Izumi、Koda Akihiro、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 5 ページ: 12538～12544
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c02175
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of the magnetic sublattices in the double perovskite LaCaNiReO6 (2022)
  • 著者名/発表者名: Papadopoulos K.、Forslund O. K.、Nocerino E.、Johansson F. O. L.、Simutis G.、Matsubara N.、Morris G.、Hitti B.、Arseneau D.、Svedlindh P.、Medarde M.、Andreica D., Orain J.-C.、Pomjakushin V.、Borjesson L.、Sugiyama J.、Mansson M.、Sassa Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 214410-1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.214410
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Negative Muon Spin Rotation and Relaxation Study on Battery Anode Material, Spinel Li4Ti5O12 (2022)
  • 著者名/発表者名: Umegaki Izumi、Ohishi Kazuki、Nakano Takehito、Nishimura Shoichiro、Takeshita Soshi、Koda Akihiro、Ninomiya Kazuhiko、Kubo M. Kenya、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 10506～10514
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c02055
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ミュオンビームを利用した リチウムイオン電池研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅垣いづみ、杉山 純
  • 雑誌名: BULLETIN OF THE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SOCIETY OF JAPAN 巻: 12 ページ: 53-59
  • オープンアクセス
• [学会発表] オペランド μ+SR による LiCoO2 中の Li イオン拡散 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石一城, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 梅垣いづみ, 幸田章宏, 駒場慎一, 杉山 純
  • 学会等名: 日本物理学会, 2023 年年次大会
• [学会発表] μ+SR で視る Ca1－xEuxCo2P2 の磁気状態図 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉山純,大石一城,梅垣いづみ,森山広大,道岡千城,植田浩明,吉村一良,Frank Elson,Ugne Miniotaite,Rasmus Palm, Martin Mansson, Gerald D. Morris
  • 学会等名: 日本物理学会, 2023 年年次大会
• [学会発表] 高分子における負ミュオンスピン緩和測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史, 清谷多美子, 友野大, 梅垣いづみ, 杉山 純, 平石雅俊, 幸田章宏, 岡部博孝, 西村昇一郎, 中村惇平, 神田聡 太郎, 下村浩一郎, 門野良典, 瀬戸秀紀
  • 学会等名: 日本物理学会, 2023 年年次大会
• [学会発表] Negative muon spin rotation and relaxation on superconducting MgB2 (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Sugiyama, Y. Sassa, E. Nocerino, M. Maansson, O. K. Forslund, K. Ishida, and A. Hillier
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Ion diffusion in Na super ionic conductors (NaSICON) (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Palm, J. Sugiyama, O. K. Forslund, Y. Sassa, I. Saadoune, M. T. F. Telling, E. Nocerino, M. Mansson, and K. Edstrom
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic nature of wolframite MnReO4 (2022)
  • 著者名/発表者名: E. Nocerino, J. Sugiyama, O. K. Forslund, Y. Sassa, R. Palm, M. Mansson, U. Miniotaite, F. Elson, H. Sakurai, and C. Wang
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Sodium diffusion in hard carbon studied by small-angle neutron scattering and muon spin relaxation (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ohishi, J. Sugiyama, S. Nishimura, A. Koda, I. Umegaki, R. Tatara, S. Komaba, and D. Igarashi
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Negative muon spin rotation and relaxation study on antiferromagnetic order of Na clusters in sodalite (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, J. Sugiyama, S. Takeshita, and H. Baba
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Negative muon spin rotation and relaxation study on Li metal (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Sugiyama, K. Shimomura, S. Takeshita, T. Nakano, M. K. Kubo, K. Ninomiya, and I. Umegaki
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] The internal magnetic field in a ferromagnetic compound Y2Co12P7 (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ohishi, J. Sugiyama, P. Konstantinos, Y. Sassa, H. Ohta, O. K. Forslund, E. Nocerino, N. Matsubara, M. Mansson, B. Hitti, D. Arseneau, G. D. Morris, Y. Kato, H. Aruga Katori, and J. H. Brewer
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic properties of LiFePO4 under hydrostatic pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: U. Miniotaite, D. Andreica, J. Sugiyama, O. K. Forslund, Y. Ge, Y. Sassa, G. Kobayashi, J. Weissenrieder, R. Palm, M. Mansson, F. Elson, and R. Khasanov
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Current status of operando-μ+SR for battery materials at J-PARC (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ohishi, J. Sugiyama, I. Umegaki, A. Koda, S. Nishimura, D. Igarashi, R. Tatara, and S. Komaba
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Negative muon spin rotation and relaxation for energy materials (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Sugiyama, K. Ohishi, Y. Sassa, T. Nakano, M. K. Kubo, S. Takeshita, K. Shimomura, E. Nocerino, O. K. Forslund, N. Matsubara, M. Mansson, K. Ninomiya, K. Ishida, A. Hillier, and I. Umegaki
  • 学会等名: 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation, and Resonance (μSR2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 負ミュオンスピン緩和で視る Li 含有層状酸化物のダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純, 大石一城, 梅垣いづみ, 竹下聡史, 幸田章宏, 中野岳仁, 山内一宏, 二宮和彦, 久保謙哉
  • 学会等名: 日本物理学会, 2022 年秋季大会
• [備考] リサーチマップ
  • URL: https://researchmap.jp/juns
• [備考] リサーチゲート
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Jun-Sugiyama