エネルギー材料中のイオンの拡散挙動を正確に測定―正負のミュオンを用いるハイブリッド測定で実現：総合科学研究機構/理化学研究所ほか
(2020年8月7日発表)
（一財）総合科学研究機構と（国）理化学研究所、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の共同研究グループは8月7日、リチウム電池などの電池性能を決める重要な要因であるイオンの拡散のしやすさを正確に検出できる手法を開発したと発表した。
ミュー粒子とも呼ばれる素粒子ミュオンを用いた手法で、イオンの動きを負ミュオンで確認し、正ミュオンでその詳細を測定する。各種電池の新材料開発やその機能メカニズムの理解促進などへの貢献が期待されるという。
開発したのは「ミュオンスピン回転緩和法（μ±SR）」という手法。加速器からビームとして取り出されるミュオンはスピンがビーム方向にほぼそろっている。このミュオンビームを試料に照射すると、試料に注入されたミュオンは周りの磁場を感じ、スピンの向きが変化する。
ミュオンは崩壊する瞬間に、向いていたスピンの方向に陽電子または電子を放出するので、これを検出器でとらえ、スピンの向きの変化を調べれば、物質内部の磁気的状態を原子スケールで調べられる。これがミュオンスピン回転緩和法。
従来は正電荷を持つ正ミュオンを利用した正ミュオンスピン回転緩和法で拡散挙動を調べていたが、高温になると固体内で正ミュオンが移動してしまい、正確に調べられなかった。
研究グループは今回、負電荷を持つ負ミュオンが物質中では正電荷を持つ原子核に捕獲されて動かなくなることに着目、負ミュオンスピン回転緩和法でまずリチウムイオンの拡散挙動を確認し、正ミュオンスピン回転緩和法で挙動を詳細に測定する新手法を考案した。負ミュオンスピン回転緩和法と正ミュオンスピン回転緩和法を組み合わせ、ハイブリッドで測定する仕組み。
多くのエネルギー関連材料中では、リチウムをはじめとする各種イオンの運動が重要な役割を担っている。ハイブリッド測定はこれを正確に検出する手法であることが実験で確かめられたという。
リチウム電池をはじめナトリウム電池、カリウム電池、燃料電池、水素貯蔵、太陽電池などに用いられる新材料の開発やその機能発現機構の研究に新手法は大きく貢献することが期待されるとしている。
