二次元材料 MXene の電池反応を“その場”で可視化
2026年2月27日
本研究の
I【概要】
一般財団法人ファインセラミックスセンター（JFCC）の野村優貴博士、山本和生博士、平山司博士と早稲田大学の藤田真輝氏（研究当時：博士前期課程2年）、川合航右研究院講師（現在：東北大学）、大久保將史教授らの研究グループは共同で、全固体リチウム電池※1材料として注目される二次元材料 MXene（マキシン）※2について、充放電動作中に生じる電池反応を電子顕微鏡を用いてその場観察※3することに成功しました。
MXene は、原子数層の厚さの“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ます。しかし、実際に電池として動作している際に、MXene の中でリチウムイオンがどのように動き、どのような電気化学反応が起こっているのかは、これまで詳しく分かっていませんでした。本研究では、早稲田大学が開発した MXene に、JFCC が開発したその場走査透過電子顕微鏡法（STEM）※4と電子エネルギー損失分光法（EELS）※5を組み合わせることで、全固体電池の充放電中に、MXene 内部で起こるリチウムの出入りや電気化学反応をナノメートルスケールでその場観察することに成功しました。
その結果、MXene 内では、①層間にリチウムイオンが出入りする反応、②表面で酸化リチウムが生成・分解する反応、③固体電解質※6が分解する反応、という 3 つの異なる反応が同時に進行していることが明らかになりました。さらに、MXene のナノシート表面に存在する酸素などの末端基※7の違いによって、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も示されました。本成果は、MXene を用いた高容量・高耐久な全固体電池の設計指針を与えるものであり、次世代二次電池開発に向けた重要な知見となります。
本成果は 2026 年1 月19 日に Wiley 社発行の国際学術誌「Small」に掲載されました。
II【本研究の詳細】
① 現状と課題
電気自動車や再生可能エネルギーの普及にともない、二次電池には「高容量」「長寿命」「高安全」の実現が求められています。特に、電解液を使わない全固体リチウム電池は、安全性の高い次世代電池として注目されています。MXene は、金属炭化物や窒化物からなる二次元材料で、薄いナノシートが多層に積層した構造です。この独特な構造により、イオンが出入りしやすく、高い蓄電性能が期待されています。しかし、電池として動作している最中に、MXene の内部でどのような反応が生じているかは、これまで直接観察することが困難でした。
② 研究手法
一般財団法人ファインセラミックスセンター（JFCC）の野村優貴博士、山本和生博士、平山司博士と早稲田大学の藤田真輝氏（研究当時：博士前期課程2年）、川合航右研究院講師（現在：東北大学）、大久保將史教授らの研究グループは、MXene（Ti3C2Tx）を電極に用いた全固体リチウム電池を電子顕微鏡内で充放電しながらその場観察する独自の研究手法を開発しました。走査透過電子顕微鏡法（Scanning Transmission Electron Microscopy : STEM）と電子エネルギー損失分光法（Electron Energy-Loss Spectroscopy : EELS）を用いることで、リチウムの移動や酸素、チタンの電子状態の変化を同時に解析しました。これにより、「電池が実際に動いている状態」での反応を、動画として追跡することに成功しました。
③ 研究成果
研究により、MXene 電極で起こる反応の全体像が明らかになりました。主な発見は以下の通りです。
1. MXene のナノシート層間にリチウムイオンが出入りする様子を直接観察（図1）
MXene では、充放電にともなって、ナノシートのすき間にリチウムイオンが可逆的に挿入・脱離する様子が観察されました。この反応にともない、材料中のチタンの電子状態が可逆的に変化することが確認され、MXene 層間へのリチウムイオンの挿入・脱離が電池反応に寄与していることが分かりました。
2. 表面で起こる酸化物生成が不可逆容量※8の要因
MXene 表面では、リチウムと酸素が反応して酸化リチウムが生成・分解する様子も観察されました。この反応は完全に可逆的ではなく、電池の不可逆容量の要因であることが示されました。
3. 固体電解質が電極表面で分解する様子を直接観察
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していることが明らかになりました。この分解反応により、MXene と固体電解質の境界部分にリチウム過剰な反応生成物が形成され、電池の不可逆容量の要因となっていることが分かりました。
4. ナノシート表面の末端基が電池性能を左右
MXene のナノシート表面に存在する酸素などの末端基の種類によって、リチウムの動きや反応の進み方が変化することが明らかになりました。特に、酸素終端を多く持つ MXene では、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という利点と課題の両方が存在することが示されました。
図1 充放電中のリチウムイオン分布のその場観察。(a) 環状暗視野走査透過電子顕微鏡（ADF-STEM）像。(b) 充放電中のリチウムイオン分布の変化。図中の白矢印は、固体電解質の還元分解によって形成されたリチウム過剰層。黄矢印は、MXene 表面に形成された酸化リチウム層。
④ 今後の展開
本研究で得られた「MXene 内部と表面で同時に起こる複数の反応」の理解は、MXene を用いた電池材料設計において重要な指針となります。今後は、構造と表面官能基を制御することで、容量と耐久性を両立した MXene 電極の開発が期待されます。