全固体リチウム電池用二次元材料の反応を直接観察：容量と耐久性を両立する電極に向け

ファインセラミックスセンター（JFCC）と早稲田大学らの研究グループは、全固体リチウム電池の材料となる二次元材料「MXene（マキシン）」について、充放電動作中に生じる電池反応をその場で観察することに成功した。研究成果を基に、構造と表面官能基を制御すれば、容量と耐久性を両立させたMXene電極を開発できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

ナノシート表面に存在する末端基の種類で電池性能が変わる

　ファインセラミックスセンター（JFCC）と早稲田大学らの研究グループは2026年2月、全固体リチウム電池の材料となる二次元材料「MXene（マキシン）」について、充放電動作中に生じる電池反応をその場で観察することに成功したと発表した。研究成果を基に、構造と表面官能基を制御すれば、容量と耐久性を両立させたMXene電極を開発できるという。

　MXeneは、厚みが原子数層というシート状の材料で、高い電気伝導性とイオンの出入りしやすさから、次世代電池への応用が期待されている。ただ、動作している電池において、リチウムイオンがMXeneの中でどのように振舞い、どのような電気化学反応が起きているかは、これまで十分に解明されていなかった。

　そこで今回、早稲田大学が開発したMXene（Ti₃C₂T_x）を電極に用いた全固体リチウム電池と、JFCCが開発した走査透過電子顕微鏡法（STEM）および、電子エネルギー損失分光法（EELS）を組み合わせた手法を用いて、その反応を直接観察した。これにより、電池が動作している状態でMXene内部に起きているリチウムの移動や、酸素とチタンの電子状態がどのように変化しているかを同時に解析することができた。

　この結果、MXene電極内で3つの異なる反応が同時進行していることが分かった。それは、「ナノシート層間にリチウムイオンが出入りする反応」と「MXene表面でリチウムと酸素が反応して酸化リチウムを生成、分解する反応」そして、「MXene電極だけでなく界面近傍の固体電解質も充放電中に還元分解する反応」である。

　さらに、MXeneのナノシート表面に存在する酸素など末端基の種類によって、リチウムイオンの動きや反応の進み方が大きく変化することが分かった。特に、酸素終端を多く持つMXeneは、リチウムを貯蔵しやすくなる一方で、酸化リチウムの生成が進みやすいことも分かった。

充放電中のリチウムイオン分布をその場で観測。上図は環状暗視野走査透過電子顕微鏡（ADF-STEM）像、下図は充放電中におけるリチウムイオン分布の変化［クリックで拡大］ 出所：早稲田大学

　今回の研究成果は、JFCCの野村優貴博士と山本和生博士、平山司博士、早稲田大学の藤田真輝氏（当時は博士前期課程2年）、川合航右研究院講師（現在は東北大学）および、大久保將史教授らによるものである。