SAMURAI - NIMS Researchers Database

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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.

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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.

Books
Presentations

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)
Title

固体電池材料のマルチスケール解析

Keywords

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

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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。

パルスレーザー堆積(PLD)法により、薄膜型の全固体電池を作製している。モデル界面を利用した解析、高電位正極の作製などに利用している。薄膜電池を利用したその場ラマン分光測定では、LixMn2O4 (0 < x < 1)の充放電にともなうスペクトル変化が明瞭に観測された。固体電解質としてはリン酸リチウムやホウ酸リチウムなどの薄膜化が可能である。その他に、多結晶や単結晶の固体電解質を利用したパルス磁場勾配NMR法による拡散係数測定も行っている。

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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。

この機能は所内限定です。
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