電池材料に入り込むイオンの「居場所」の違いを解明

―東北大学東北先端顕微鏡センターと3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuを活用し、原子レベルの変化を明らかに―

2026年11月11日 11:00

研究者情報

〇金属材料研究所　教授　市坪哲
研究室ウェブサイト

発表のポイント

一次元トンネル構造をもつ蓄電池の電極材料において、イオンの種類によって、トンネル内での占有位置と粒子内部・表面における濃度分布が大きく異なることを明らかにしました。
東北大学東北先端顕微鏡センターと3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuの先端計測技術を組み合わせ、イオンの入り込む位置と、それに伴う原子配列や電子状態の変化を原子レベルで解明しました。
イオンの占有位置と局所的な結晶骨格のゆがみが電極の反応挙動や性能劣化に影響することを示し、高容量かつ長寿命な次世代蓄電池に向けたトンネル型電極材料の設計指針を提示しました。

発表概要

リチウムに代わり、資源豊富なナトリウム（Na）、マグネシウム（Mg）、カルシウム（Ca）を利用する次世代蓄電池に向けた正極材料の開発では、イオンの移動しやすさと電極材料の安定性の両立が求められます。特に、イオンの通り道となる一次元トンネル構造をもつ材料では、イオンの挿入と構造変化の関係が十分に分かっていませんでした。
東北大学金属材料研究所の李弘毅助教、市坪哲教授らは、東北大学東北先端顕微鏡センターの電子顕微鏡と3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuのX線吸収分光を活用し、ホランダイト型二酸化マンガンを解析しました。その結果、イオンの種類によってトンネル内の占有位置や粒子内部の分布、周囲の電子状態の変化が異なることを解明しました。また、結晶骨格のゆがみと電極性能劣化の関係も明らかにし、次世代蓄電池の正極材料設計に新たな知見を示しました。
本研究成果は、2026年11月4日に米国化学会（ACS）の学術誌Chemistry of Materials に掲載されました。



図1. ホランダイト型α-MnO₂の結晶構造と合成粒子の走査型電子顕微鏡（SEM）と環状明視野走査透過電子顕微鏡（ABF-STEM）画像

論文情報

タイトル：Atomic-Scale Origin of Spatially Heterogeneous Insertion in Hollandite-Type MnO₂
著者：Hongyi Li, Yue Qi, Shusuke Fukui, Yuichiro Hayasaka, Xiatong Ye, Kakeru Kobayashi, Tomoya Kawaguchi, and Tetsu Ichitsubo*
*責任著者：東北大学金属材料研究所　教授　市坪 哲
掲載誌：Chemistry of Materials
DOI：10.1021/acs.chemmater.6c02510

詳細（プレスリリース本文）

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Email: li.hongyi*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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TEL: 022-215-2372
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（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所
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