【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　准教授　木村勇太
研究室ウェブサイト

〇多元物質科学研究所　准教授　大野真之
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 放射光X線コンピュータ断層撮影（CT）^（注１）を用いて、全固体リチウム硫黄電池（SSLSB）の正極内部における充放電反応の空間分布を、高い空間分解能で可視化する手法を確立しました。
• 正極全体にリチウムイオンを行き渡らせる電極スケールでのイオン輸送の遅さが、高速充放電と安定した充放電サイクルの両方を制限していることを明らかにしました。
• 本手法により、電池内部で実際に何が起きているかを直接捉えることが可能になり、SSLSBを含む様々な電池系の電極設計の最適化に貢献することが期待されます。

【概要】

全固体リチウム硫黄電池（Solid State Lithium Sulfur Battery; SSLSB）は、硫黄の高い理論容量^（注２）と固体電解質の安全性を活かした次世代の蓄電デバイスです。しかし高速充放電が難しく、充放電サイクルが不安定であることが実用化への障壁となっていました。これらの課題を解決するには、充放電反応が電池内部のどこでどのように進行し、何がそれを妨げているのかを明らかにする必要があります。

東北大学多元物質科学研究所の木村勇太准教授、大野真之准教授らの研究グループは、大型放射光施設SPring-8^（注３）で得られる高輝度X線を用いたコンピュータ断層撮影（CT）によって、SSLSB正極内部の充放電反応の空間分布を、マイクロメートルの高い空間分解能で可視化する手法を確立しました。可視化の結果、正極全体にリチウムイオンを行き渡らせる巨視的なスケールでのイオン輸送の遅さが、SSLSBの高速充放電と安定した充放電サイクルの両方を妨げる大きな要因であることが初めて明らかになりました。本研究で確立した可視化手法は、電池内部で実際に何が起きているかを直接捉えることを可能にするものであり、SSLSBに限らず様々な電池系の電極設計指針を与える重要なツールとなることが期待されます。

本研究成果は2025年10月24日（西ヨーロッパ時間）付けで、エネルギー材料分野の専門誌Advanced Energy Materialsにオンライン掲載されました。

なお、本研究は、東北大学 多元物質科学研究所の木村勇太准教授、田中舞大学院生（当時、同大学院工学研究科）、Jan Huebner助教、雨澤浩史教授、大野真之准教授、川﨑栞大学院生（当時、同大学院環境科学研究科）、東北大学国際放射光イノベーション?スマート研究センター（SRIS）の石黒志准教授、九州大学の柳原祥馬大学院生（当時）、名古屋大学 未来材料?システム研究所の中村崇司教授、高輝度光科学研究センターの関澤央輝主幹研究員、新田清文研究員、京都大学 大学院人間?環境学研究科の内本喜晴教授らの共同研究グループにより行われました。

図1. オペランドX線CT測定の概要。（左）オペランド（電池動作下）計測セルとその内部のSSLSBセルの構造。比較的低エネルギーの高輝度放射光X線と独自開発した計測セルにより、電池動作中の反応分布の測定を実現した。 （右）X線CTによって得られたSSLSBの3次元再構成像。

【用語解説】

注1. コンピュータ断層撮影（CT）：X線を用いて物体の内部を非破壊で観察する技術。様々な角度からX線を照射し、透過したX線の情報をコンピュータで処理することで、物体の内部構造を3次元画像として可視化できる。

注2. 理論容量：活物質が完全に反応したと仮定した場合に得られる、理論上の最大電気容量。硫黄は1グラムあたり1672 mAhという高い理論容量を持つ。

注3. 大型放射光施設SPring-8：兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設。高輝度光科学研究センターが利用者支援などを行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeV（ギガ電子ボルト）に由来する。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

【論文情報】

タイトル：Unraveling Asymmetric Macroscopic Reaction Dynamics in Solid-State Li-S Batteries during Charge-Discharge Cycles: Visualizing Ionic Transport Limitations with Operando X-ray Computed Tomography
著者：木村勇太*、田中舞、川﨑栞、柳原祥馬、Jan Huebner、石黒志、中村崇司、関澤央輝、新田清文、内本喜晴、雨澤浩史、大野真之*
*責任著者：東北大学 多元物質科学研究所 准教授 木村勇太、准教授 大野真之
掲載誌：Advanced Energy Materials
DOI：10.1002/aenm.202503863

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
准教授　木村　勇太 （きむら　ゆうた）
TEL: 022-217-5341
Email: yuta.kimura.b2*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所 広報情報室
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）