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- Group Leader, Solid State Battery Ionics Group, Battery and Cell Materials Field, Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
- All Solid State Team, Center for Advanced Battery Collaboration, Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
- Team Leader, All Solid State Team, Center for Advanced Battery Collaboration, Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
- Battery Research Platform, Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
- Address
- 305-0044 1-1 Namiki Tsukuba Ibaraki JAPAN [Access]
Accepting Students
Research
- Keywords
Solid-state battery, Ion dynamics, NMR, TOF-SIMS
Research Overview:
Understanding how ions move through solids is one of the central challenges in developing next-generation solid-state batteries. Ion transport is governed not only by crystal structures but also by grain boundaries, domains, and heterogeneous interfaces over multiple length and time scales. However, no single experimental technique can fully capture these complex transport processes.
Our research develops and applies quantitative measurement methods to reveal ion transport in solids. Rather than relying on a single technique, we combine PFG-NMR, lithium isotope tracer TOF-SIMS, impedance spectroscopy, and operando SIMS, each providing complementary information on ionic motion. By integrating these independent measurements, we aim to obtain a consistent and quantitative picture of ion transport from bulk crystals to interfaces.
One of our particular interests is establishing quantitative relationships between tracer diffusion, self-diffusion, and ionic conductivity in a wide variety of solid-state battery materials. Such cross-validation enables us to evaluate ion transport with greater confidence than is possible using any single technique alone.
Our ultimate goal is to establish reliable measurement methodologies that provide a scientific basis for designing safer, longer-lasting, and higher-performance solid-state batteries.
Prospective Students:
We welcome applications from students interested in pursuing a Ph.D. through the Hokkaido University–NIMS Joint Graduate Program. Financial support is available through the NIMS Junior Researcher Program, which provides a salary while conducting research.
Research topics include solid-state batteries, solid electrolytes, ion transport, interfacial phenomena, NMR, TOF-SIMS, isotope tracer techniques, and electrochemical measurements. Previous experience with NMR or SIMS is not required.
We welcome students with backgrounds in chemistry, physics, materials science, electrochemistry, and computational science who are interested in developing a quantitative understanding of ion transport in solids.
During the Ph.D. program, students are encouraged to develop independence by experiencing the entire research process—from defining research questions and designing experiments to publishing scientific papers. If you are interested in joining our group, please feel free to contact us to discuss potential research projects and admission opportunities.
Figure 1. Schematic illustration of ion transport in solid-state battery materials over multiple length and time scales. Quantitative understanding of ion transport requires complementary experimental techniques to investigate bulk crystals, grain boundaries, domains, and interfaces.
PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.
Research papers
- Sihao Xing, Gen Hasegawa, Prince Sharma, Daisuke Ito, Kazuhiro Kamiguchi, Kazunori Takada, Naoaki Kuwata. Operando Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry Visualization of Reversible and Irreversible Reactions in Oxide-Based Solid-State Batteries. ACS Energy Letters. 11 [2] (2026) 1889-1896 10.1021/acsenergylett.5c03610 Open Access
- Daisuke Ito, Naoaki Kuwata, Seiji Takemoto, Kazuhiro Kamiguchi, Gen Hasegawa, Kazunori Takada. Lattice-matched antiperovskite-perovskite system toward all-solid-state batteries. Nature Communications. 16 [1] (2025) 7372 10.1038/s41467-025-62860-1 Open Access
- Naoaki Kuwata, Gen Hasegawa, Sihao Xing, Kenjiro Hashi, Yoshitaka Matsushita, Randy Jalem, Kazunori Takada, Hitoshi Onodera, Shuhei Yoshida. Fast lithium-ion diffusion in pyrochlore-type oxyfluoride Li1.25La0.58Nb2O6F. Solid State Ionics. 428 (2025) 116924 10.1016/j.ssi.2025.116924 Open Access
Books
- KUWATA, Naoaki, HASEGAWA, Gen. Chapter 24 Pulsed Field Gradient Nuclear Magnetic Resonance Measurement of Lithium Diffusion in Solid Electrolytes. Interface Ionics For All-Solid-State Batteries and Solid State Ionics Devices. Springer Singapore, 2024, 12.
- 桑田 直明. 第 4 編 第 6 章 第 6 節 二次電池. (株)エヌ・ティー・エス, 2020
- 桑田 直明, 河村純一. 二次イオン質量分析法による固体電池材料のリチウム拡散係数測定. (株)技術情報協会, 2020
Presentations
- KUWATA, Naoaki. Multiscale Lithium-Ion Dynamics in Solid-State Battery Materials. The 23rd International Meeting on Lithium Batteries (IMLB 2026). 2026 Invited
- 桑田 直明. 固体NMRによる固体電解質中のリチウムイオンのマルチスケールダイナミクス解析. 第27回化学電池材料研究会ミーティング. 2026 Invited
- 桑田 直明. 全固体電池材料のリチウムイオン拡散:NMRとSIMSでイオンの動きを明らかにする. 化学系学協会北海道支部2025年冬季研究発表会. 2025 Invited
Misc
- 桑田 直明, 長谷川 源. 固体電解質のバルクと粒界拡散 ─NMRとSIMSによる解析─. CERAMICS JAPAN. 59 [10] (2024) 671-674 Open Access
- 桑田 直明, 長谷川 源. 全固体電池材料における粒界拡散を定量化する新しい手法. 月刊機能材料. 44 [9] (2024) 43-48
- 桑田 直明, 長谷川 源. その場ラマン分光法による薄膜全固体電池の構造と イオンダイナミクスの解析. WEB Journal. 2月号 (2023) 17-22
Society memberships
日本固体イオニクス学会, 日本物理学会, 電気化学会
Funds
- JST K Program (2025)
- KAKENHI Ion Jamology (2024)
- JST GteX (2023)
- NEDO SOLiD-Next (2023)
Research Center for Energy and Environmental Materials (GREEN)
固体電池材料のマルチスケール解析
リチウムイオン電池,薄膜電池,拡散係数,NMR,TOF-SIMS
Overview
リチウムイオン電池等の電気化学デバイスは、固体中をイオンが拡散することで動作することができる。固体電解質を利用した固体電池の開発が世界的に活発に行われており、固体内および固体/固体界面の拡散係数やイオンダイナミクスを解析する手法が求められている。私たちは、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)や核磁気共鳴(NMR)を利用して精密なリチウム拡散係数の解析を行う技術開発を進めており、固体電池材料に応用している。さらに、薄膜電池や焼結電池をモデルとしたその場解析技術により、固体電池の充放電機構を研究している。
Novelty and originality
● 同位体拡散とTOF-SIMSによる正極活物質・固体電解質の同位体拡散解析
● パルス磁場勾配NMR法による固体電池材料のリチウム拡散係数の精密測定
● パルスレーザー堆積法による薄膜型固体電池の作製
● その場解析技術の開発と固体電池の充放電による構造変化の検出
● 液相法による固体電池材料の合成と接合プロセスの開発
Details
全固体電池を実現するため、固体中の高速リチウム拡散の機構を解明することが求められている。我々はTOF-SIMSやNMRを用いた新技術により、電池材料中のリチウムイオンの拡散係数を計測している。固体電解質に関しては、6Li同位体をイオン交換法により固体中に拡散させ、同位体比のプロファイルから拡散係数を得ることができる。イオン伝導度と比較して、ハーベン比から拡散機構を議論することが可能となる。混合伝導体であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)等の正極薄膜を利用した同位体拡散測定も可能である。この手法により、LiCoO2の空孔拡散機構や、アンチサイト欠陥を利用した拡散機構が確かめられた。
Summary
固体中のリチウム拡散係数を測定する手法を確立し、TOF-SIMSイメージングにより界面でのイオン移動を可視化できることを実証した。第一原理計算と実験との連携により、材料探索にも応用可能である。バルクだけでなく、界面や複合体、粒界、ドメイン、異方性拡散を含む系、さらに動作中の電池材料にも展開することで、材料開発に貢献できると期待される。




