成功開發出可同時測量局部電化學反應和拉曼光譜資訊的操作顯微鏡

由熊谷明哉教授（千葉工業大學工學部電氣電子工學科教授/東北大學材料科學高等研究所 (WPI-AIMR) 特聘教授（客座））・大學院工學研究科客座教授）、立崎瑛太（千葉工業大學大學院工學研究科碩士課程1年）、石毛亮之介（千葉工業大學大學院工學研究科碩士課程1年）、井田大貴講師（名古屋大學大學院工學研究科）、高橋康史教授（名古屋大學大學院工學研究科（兼未來社會創造機構量子化學創新研究所）/金澤大學NanoLSI特聘教授）、白木將教授（日本工業大學基幹工學部環境生命化學科）和珠玖仁教授（東北大學大學院工學研究科）組成的研究團隊，成功開發了一種將拉曼光譜法（註1）與奈米電化學電池顯微鏡（SECCM）（註2）相結合的新型操作測量方法。在鋰離子電池和電極催化劑等電化學能源設備中，固液界面的反應是決定性能和耐用性的關鍵因素，因此需要奈米級地理解界面上的電化學過程。此前，利用拉曼光譜法等測量技術，難以在反應操作下（operando）同時觀察局部電化學反應及其伴隨的結構變化。通常，在電化學測量與光譜方法同時進行時，電化學反應場是通過將樣品浸入電解液中進行的，因此只能獲得廣泛反應區域的平均資訊，缺乏局部資訊。本次開發的同時操作測量方法整合了拉曼光譜測量法和SECCM。研究團隊利用鋰離子電池電極磷酸鐵鋰（註3），將鋰離子在電極內發生的可逆電化學反應限制在SECCM形成的微小液滴內，同時利用拉曼光譜法測量該區域內化學結構的變化，該方法通過散射雷射光來評估。從獲得的結果中，通過觀察拉曼散射光，證實了液滴內鋰離子從磷酸鐵鋰電極脫離和插入過程中局部化學結構的變化。

本顯微鏡的開發，使局部電化學和化學結構變化的同時操作測量成為可能，成功實現了奈米尺度電化學反應的界面反應分析。這有望幫助闡明鋰離子電池的劣化機制和反應不均勻性，提供設計高性能、長壽命電池的新見解。此外，本方法不僅適用於鋰離子電池，預計還將成為一種新的基礎技術，使所有涉及電化學反應的固液界面都能在奈米尺度上得到理解，有助於電池、催化劑和腐蝕領域基礎科學的進步。

本研究成果於4月21日（美國時間）發表在應用物理學領域的學術期刊美國物理學會（AIP）的《應用物理快報》（Applied Physics Letters）上，並被選為「Featured Article」。此外，該論文還被AIP廣報媒體「Scilight」報導，該媒體專門介紹和解釋AIP期刊中值得關注的成果。

關鍵詞：操作測量、電化學、鋰離子電池、拉曼光譜

研究背景

1. 理解電化學能源設備中的固液界面

為實現碳中和社會，鋰離子電池、氫氣/氨合成，以及二氧化碳電化學還原等電化學能源設備的重要性日益增加。為提高這些設備的性能，材料開發和原子級結構控制是不可或缺的。然而，隨著材料微觀結構的高度控制，電化學反應機制變得更加複雜，需要詳細理解其影響。特別是，電化學反應發生在電極和電解液接觸的固液界面，因此理解此界面上的反應過程是設備性能的關鍵。然而，由於固液界面上的反應在時間和空間上不均勻地進行，因此需要高精度原位操作分析。

2. 傳統分析方法及其挑戰

在固液界面上，電...