第一原理計算に基づく正極材料相転移現象の解明

• Project/Area Number: 18K14313
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 渡部 絵里子 (渡部絵里子) 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (00817265)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2019: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 第一原理計算 / 正極材料 / NMR / 構造探索

Outline of Annual Research Achievements

持続可能なエネルギー変換型社会の実現に向け、リチウムイオン電池・ナトリウムイオン電池を代表とする二次電池が大きく注目されている。これらの電気自動車や家庭用蓄電池への大型展開を実現するためには、大容量化・低コスト化が要求されており、原理解明に基づく新規材料開発が重要である。構造解析は充放電における体積変化や反応メカニズムの解明に対して基礎となる情報であり、核磁気共鳴（NMR）は局所構造解析に有用な手法の一つである。
構造解析が特に重要な正極材料として、酸素レドックスが発現する材料群をとりあげる。これらの系は、大きな充放電容量を示すことから有望な正極材料として注目されている一方、多くの系において充電後に不可逆な構造変化が生じることが知られている。本課題において、ナトリウム過剰層状正極材料であるNa2-xRuO3をモデル系としてとりあげ、第一原理計算に基づくNMRスペクトルの解釈を行った。充放電過程のいずれの構造においても、第一原理計算によるスペクトルは実験と良好な一致を示した。また、化合物の電子状態とスペクトルのピーク位置の関係性に関しても詳細に議論した。
今後は、充放電過程における様々な準安定構造を探索する手法とあわせることで、より詳細な局所構造解析が実現すると期待される。得られた構造を基に理論発生電位・体積変化・電子状態、さらにはNMRスペクトルのピーク位置を計算し、実験と比較することで、妥当性を確保しつつ、有望な材料の効率的な開発が可能となると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Redox-Driven Spin Transition in a Layered Battery Cathode Material (2019)
  • Author(s): Watanabe Eriko、Zhao Wenwen、Sugahara Akira、Mortemard de Boisse Benoit、Lander Laura、Asakura Daisuke、Okamoto Yohei、Mizokawa Takashi、Okubo Masashi、Yamada Atsuo
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 31 Issue: 7 Pages: 2358-2365
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b04775
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combined Theoretical and Experimental Studies of Sodium Battery Materials (2019)
  • Author(s): Watanabe Eriko、Chung Sai-Cheong、Nishimura Shin-ichi、Yamada Yuki、Okubo Masashi、Sodeyama Keitaro、Tateyama Yoshitaka、Yamada Atsuo
  • Journal Title: The Chemical Record Volume: 19 Issue: 4 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1002/tcr.201800125
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化還元反応に誘起される固相スピンクロスオーバー (2019)
  • Author(s): 渡部絵里子、Zhao Wenwen、菅原哲、Mortemard de Boisse Benoit、Lander Laura、朝倉大輔、岡本陽平、溝川貴司、大久保將史、山田淳夫
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] Combined computational and experimental NMR analyses on Na1-xRuO3 (2018)
  • Author(s): Watanabe Eriko, Carlier Dany, Delmas Claude, Mortemard de Boisse Benoit, Okubo Masashi, Yamada Atsuo
  • Organizer: The 19th International Meeting on Lithium Batteries (IMLB2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気化学的に誘起される固相スピンクロスオーバー (2018)
  • Author(s): 渡部絵里子、Zhao Wenwen、菅原哲、Mortemard de Boisse Benoit、Lander Laura、朝倉大輔、岡本陽平、溝川貴司、大久保將史、山田淳夫
  • Organizer: 第44回固体イオニクス討論会