材料科学：電池における単一粒子イオンダイナミクスのオペランド光学追跡

リチウムイオン電池技術、特に高速充電を進展させるのに重要なのは、現実的な条件下で機能している材料に生じている動的過程を、リアルタイムでナノからメソのスケールにわたって追跡し、把握できる能力である。今のところ、電池動作時のリチウムイオンダイナミクスの撮像（オペランドイメージング）には、最先端のシンクロトロンX線技術や電子顕微鏡技術が必要だが、こうした方法は材料の高スループットスクリーニングには適さない。そのため、速やかで合理的な材料の改良には限界がある。今回我々は、電池材料中のナノスケールのリチウムイオンダイナミクスを解像するための、実験室ベースの単純な光学干渉散乱顕微鏡を導入し、それを適用して電極マトリックス内における典型的なカソード材料Li_xCoO₂の個々の粒子のサイクルを追跡した。我々は、絶縁体–金属相転移、固溶体相転移、リチウム秩序化相転移を直接可視化し、リチウム拡散速度を単一粒子レベルで決定することで、充電時と放電時の異なる機構を特定した。さらに我々は、Li_0.5CoO₂組成における単斜晶格子ひずみに伴う、異なる結晶配向間のドメイン境界の動的形成を捉えた。今回の方法は高スループットであるため、電極全体にわたって多くの粒子をサンプリングでき、将来的には、電池の劣化における転位、形態、サイクル速度の役割の探求を可能にすると思われる。今回のイメージングの概念は一般的なものなので、あらゆる電池電極、より広くはイオン輸送が電子的変化や構造的変化と関連している系の研究に適用できる。そうした系には、ナノイオン膜、イオン伝導ポリマー、光触媒材料、メモリスターが含まれる。

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