負のミュオン素粒子を用いた固体内イオン拡散の解明

2023 年度 実績報告書

• 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
• 研究代表者: 杉山 純 一般財団法人総合科学研究機構, 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: 負ミュオンスピン回転緩和 / 固体内物質移動 / イオン拡散 / 電池

研究実績の概要

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。
以下の電池材料、Li[Ni0.5Mn1.5]O4とLi4Ti5O12(共にスピネル構造)とLiMnPO4(オリビン構造)について、正と負のμSRにより、室温以上での拡散種がLi+イオンであることを確認した。またLi金属のμ-SRを広い温度範囲で測定した結果、ミュオニックLi（Li核に捕獲されたμ-）からのμ-SR信号は時間依存しないバックグラウンドとして扱えることが明らかとなった。これによりμ-SRスペクトルの解析は極めて容易となった。また同一試料を正と負のμSRで測定する「μ+-SR」を世界で初めて実施し、この手法を確立した。また電池材料のみならず、超伝導材料中の内部磁場測定にもμ+-SRが有用であることを示した。
μ-SRによる拡散種同定と平行して、動作状態の電池内での拡散測定を行うと言う野心的な「オペランド測定」にも挑戦した。その結果、LiCoO2とLi金属電池、Na0.7CoO2とNa金属電池において、充放電による自己拡散係数の変化を明らかにした。本測定手法は全固体電池にも適用できるので、今後更に利用が拡がると予想している。

研究成果

• [国際共同研究] TRIUMF/Univ. of British Columbia(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: TRIUMF/Univ. of British Columbia
• [国際共同研究] KTH/Uppsala Univ./Univ. of Stockholm(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: KTH/Uppsala Univ./Univ. of Stockholm
• [国際共同研究] PSI/Univ. of Zurich/Univ. of Geneva(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: PSI/Univ. of Zurich/Univ. of Geneva
• [国際共同研究] ISIS(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ISIS
• [国際共同研究] Babes-Bolyai Univ.(ルーマニア)
  • 国名: ルーマニア
  • 外国機関名: Babes-Bolyai Univ.
• [雑誌論文] Photophysical Ion Dynamics in Hybrid Perovskite MAPbX3 (X=Br, Cl) Single Crystals (2024)
  • 著者名/発表者名: Papadopoulos Konstantinos、Forslund Ola Kenji、Cottrell Stephen、Yokoyama Koji、Nayak Pabitra K.、Noa Francoise M. Amombo、Ohrstrom Lars、Nocerino Elisabetta、B?rjesson Lars、Sugiyama Jun、Mansson Martin、Sassa Yasmine
  • 雑誌名: Advanced Physics Research 巻: 3 ページ: 2300120-1-8
  • DOI: 10.1002/apxr.202300120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Na-ion dynamics in the solid solution NaxCa1-xCr2O4 studied by muon spin rotation and neutron diffraction (2024)
  • 著者名/発表者名: Nocerino Elisabetta、Forslund Ola Kenji、Sakurai Hiroya、Matsubara Nami、Zubayer Anton、Mazza Federico、Cottrell Stephen、Koda Akihiro、Watanabe Isao、Hoshikawa Akinori、Saito Takashi、Sugiyama Jun、Sassa Yasmine、Mansson Martin
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 8 ページ: 1424～1437
  • DOI: 10.1039/D3SE01097J
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic phase diagram of Eu1-xCaxCo2P2 determined using muon spin rotation and rotation (2024)
  • 著者名/発表者名: I. Umegaki, K. Moriyama, K. Yoshinaga, K. Ohishi, F. Elson, U. Miniotaite, R. Palm, M. Mansson, O. K. Forslund, S. Sugiyama, G. D Morris, B. Hitti, C. Michioka, H. Ueda, K. Yoshimura, and J. Sugiyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 ページ: 004400-1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.0o.004400
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusually large magnetic moment and tricritical behavior of the CMR compound NaCr₂O₄ revealed with high resolution neutron diffraction and μ+ SR (2023)
  • 著者名/発表者名: Nocerino Elisabetta、Forslund Ola Kenji、Sakurai Hiroya、Hoshikawa Akinori、Matsubara Nami、Andreica Daniel、Zubayer Anton、Mazza Federico、Saito Takashi、Sugiyama Jun、Umegaki Izumi、Sassa Yasmine、Mansson Martin
  • 雑誌名: Journal of Physics: Materials 巻: 6 ページ: 035009～035009
  • DOI: 10.1088/2515-7639/acdf21
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ion Dynamics in P2-NaxCoO2 Detected with Operando Muon Spin Rotation and Relaxation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Umegaki Izumi、Nakamura Jumpei G.、Koda Akihiro、Mansson Martin、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 6 ページ: 8111～8119
  • DOI: 10.1021/acsaem.3c01197
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Competition between magnetic interactions and structural instabilities leading to itinerant frustration in the triangular lattice antiferromagnet LiCrSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Nocerino Elisabetta、Kobayashi Shintaro、Witteveen Catherine、Forslund Ola K.、Matsubara Nami、Tang Chiu、Matsukawa Takeshi、Hoshikawa Akinori、Koda Akihiro、Yoshimura Kazuyoshi、Umegaki Izumi、Sassa Yasmine、von Rohr Fabian O.、Pomjakushin Vladimir、Brewer Jess H.、Sugiyama Jun、Mansson Martin
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 4 ページ: 81-1-14
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00407-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ３次元ハニカム構造を有するβ-ZnIrO3のμSR (2024)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純, 大石一城, 梅垣いづみ, 原口祐哉, 香取浩子, Rasmus Palm, Yuqing Ge, Frank Elson, Martin Mansson, Ola K. Forslund, Daniel Andreica, Bassam Hitti, Gerald D. Morris, Thomas J. Hicken, Janas Krieger, Christopher Baines, Hubertus Luetkens
  • 学会等名: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [学会発表] Magnetic Phase Diagram of Ca1-xEuxCo2P2 clarified with μ+SR (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Sugiyama, K. Ohishi, I. Umegaki, K. Moriyama, K. Yoshinaga, C. Michioka, H. Ueda, O. K. Forslund, Y. Sassa, F. Elson, U. Miniotaite, R. Palm, Mansson, G. D. Morris, K. Yoshi
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of hyperfine interaction in polymer by negative muon (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Takeshita，D. Tomono，T. Kiyotani，I. Umegaki, K. Shimomura, A. Koda, S. Nishimura, J. Nakmura, J. Sugiyama, M. Hiraishi, H. Okabe, R. Ka
  • 学会等名: International Conference on Hyperfine Interactions and their Applications (HYPERFINE2023)
  • 国際学会
• [学会発表] P2-NaxCoO2とO3-NaxCoO2の動的挙動の相違 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純, 大石一城, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 梅垣いづみ, 中村淳平, 幸田章宏, Rasmus Palm, Martin Mansson, 駒場慎一
  • 学会等名: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [学会発表] 高分子における負ミュオンの超微細相互作用の測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹下聡史, 友野 大, 清谷多美子, 梅垣いづみ, 下村浩一郎, 幸田章宏, 西村昇一郎, 中村惇平, 杉山 純, 平石雅俊, 岡部博孝, 門野良典
  • 学会等名: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [学会発表] 充放電過程におけるSANS実験用電池セルの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大石一城, 河村幸彦, 森川利明, 杉山 純, 廣井孝介, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 駒場慎一
  • 学会等名: 日本中性子科学会, 第23回年会
• [備考] Research Gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Jun-Sugiyama