日本高能加速器研究機構（KEK）物質構造科學研究所的梅垣Izumi助教、西村升一郎特別助教、竹下聰史助教和幸田章宏副教授、綜合科學研究機構（CROSS）中介子科學中心的副主任研究員大石一城和科學協調員杉山純、茨城大學的中野嶽仁副教授、大阪大學放射線科學基礎機構的二宮和彥副教授，以及國際基督教大學的久保謙哉教授組成的研究團隊，透過利用高強度質子加速器設施（J-PARC）物質生命科學實驗設施（MLF）中全球最高強度正負兩種渺子束的渺子自旋弛豫（μSR）法，調查了全固體鋰（Li）電池的負極材料尖晶石結構Li4Ti5O12中的鋰離子擴散運動。發現正負兩種渺子擷取的内部磁場波動一致，負極材料中產生了鋰離子擴散。另外還發現，擴散的活化能很小，表明這種物質是非常出色的負極材料。
圖（1）全固體鋰電池負極材料Li4Ti5O12的晶體結構。鋰在晶體中的空艙之間擴散。（2）利用正負渺子計算的各個鋰離子的自擴散係數DJLi與絕對溫度的倒數1000/T之間的關係。（出處：I. Umegaki et al., J. Phys. Chem. C 126, 10506 (2022). Copyright © 2022,American Chemical Society、供圖：綜合科學研究機構）
研究團隊爲調查全固體鋰電池負極候選材料Li4Ti5O12中鋰離子的擴散情況，在J-PARC MLF的S1實驗區利用正渺子進行了μ＋SR測量，在D1實驗區利用負渺子進行了μ-SR測量。分別在100～400K的溫度範圍内獲得了資料，發現μ-SR中觀測到的内部磁場波動速度（ν）在溫度達到200K以上時會隨着溫度的擧升而加快。
另外研究團隊還確定了其熱活化能爲0.08（5）eV。這個結果與μ＋SR測量數值一致。由此證明，使用正渺子的μSR法獲得的内部磁場波動是由於Li擴散引起的。計算出的鋰離子自擴散係數在室溫下爲每平方釐米8（2）×10 -12/s。這與之前報告的數值不矛盾，但此次應答溫度依賴性比較小，表明其作爲負極材料是一種非常出色的材料。
此次實驗透過使用正負兩種渺子的綜合μSR法，深入瞭解了鋰離子在鋰離子電池材料内的擴散現象。再次證明了μSR法有助於瞭解和評估電池材料的性能。
梅垣助教表示：「我們此次得到了複製性和可靠性很高的結果。再考慮到目前正在進行的實驗的結果，我們認爲渺子對測量鋰離子電池材料的離子擴散是有效的。今後，將實施測量充放電程序中的鋰離子電池内部離子擴散的運算數測量，並應用於鈉離子電池和鉀離子電池材料，從而爲新一代高性能電池的開發做貢獻」。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：The Journal of Physical Chemistry C
論文：Negative muon spin rotation and relaxation study on battery anode material
DOI：doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c02055
