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負極界面における亜鉛結晶成長機構のマルチスケールシミュレーション及び実験的解析

Research Project

Project/Area Number 20J23239
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

女部田 勇介 (2020-2021)  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)

Research Fellow 女部田 勇介 (2022)  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
KeywordsZn負極 / Zn電解析出 / 第一原理計算 / Kinetic Monte Carlo法 / kinetic Monte Carlo法
Outline of Research at the Start

再生可能エネルギーの安定供給や電力平準化のための大規模蓄電デバイスとして、Zn負極を用いた二次電池が注目されている。この普及に向けては、Zn負極における異常析出が課題であり、その抑制のため析出機構の解明が必須となっている。本研究では、Zn負極における結晶成長機構を明らかにすることを目的として、異なる階層の計算手法により、原子レベルから結晶レベルまでの解析を可能としたマルチスケールシミュレーションと電気化学測定等の実験を行い、Zn負極における異常析出抑制の指針を示す。

Outline of Annual Research Achievements

再生可能エネルギーや分散型エネルギーシステムの安定的な利用に向け、大規模蓄電池の必要性が高まっている。この普及に向けては、安価でエネルギー密度が高く、水溶液を用いるという安全性の高さからZn負極が注目されている。しかし、この負極上において充電中に発生する平滑でない析出(=異常析出)による電池性能低下が課題である。本研究ではこのZn負極における異常析出の初期形成機構を明らかにし、その抑制に向けた設計指針の策定を目指した。このような原子・分子レベルからナノスケールまでの析出現象の解析のため、マルチスケールシミュレーション及び電気化学測定等の実験を組み合わせることでアプローチしてきた。また、マルチスケールシミュレーションの結果から、電子状態の解析を進めることで、表面や吸着種の相互作用の観点からもZn電析時の析出について検討した。
また異常析出の抑制に向けては、表面形態に対して影響を与える添加剤の効果を解析し、その作用機構を理解することが、有用な添加剤の設計指針となりうる。従来研究より、カチオン系の添加剤や金属添加剤が異常析出抑制のための添加剤として注目されている。本研究ではこれらの添加剤の作用機構を明らかにするため、Zn電析実験を行い、さらにシミュレーションも行うことで、Zn析出成長における作用機構の解析を進めた。これらの添加剤の例として、Li+やPbを用いた場合の解析によって、それらの作用機構に関する知見を与えた。
これらの結果を報文2報として発表した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Virginia(米国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Virginia(米国)

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      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Analysis of the behavior of Zn atoms with a Pb additive on the surface during Zn electrodeposition2022

    • Author(s)
      Onabuta Yusuke、Kunimoto Masahiro、Ono Fumimasa、Fukunaka Yasuhiro、Nakai Hiromi、Zangari Giovanni、Homma Takayuki
    • Journal Title

      Electrochemistry Communications

      Volume: 138 Pages: 107291-107291

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2022.107291

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Li<sup>+</sup> Addition during Initial Stage of Electrodeposition Process on Nucleation and Growth of Zn2022

    • Author(s)
      Onabuta Yusuke、Kunimoto Masahiro、Wang Songyi、Fukunaka Yasuhiro、Nakai Hiromi、Homma Takayuki
    • Journal Title

      Journal of The Electrochemical Society

      Volume: 169 Issue: 9 Pages: 092504-092504

    • DOI

      10.1149/1945-7111/ac8c03

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiscale Simulation of Irregular Shape Evolution during the Initial Stage of Zn Electrodeposition on a Negative Electrode Surface2022

    • Author(s)
      Onabuta Yusuke、Kunimoto Masahiro、Wang Songyi、Fukunaka Yasuhiro、Nakai Hiromi、Homma Takayuki
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 126 Issue: 11 Pages: 5224-5232

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c09569

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Zn電析過程におけるZn原子吸着挙動に対する重金属添加剤の影響の理論的解析2022

    • Author(s)
      小野文雅,女部田勇介,國本雅宏,中井浩巳,本間敬之
    • Organizer
      一般社団法人表面技術協会第145回講演大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] A DFT and KMC study for the shape evolution at the initial stage of the Zn electrodeposition2021

    • Author(s)
      Y. Onabuta, M. Kunimoto, S. Wang, Y. Fukunaka, H. Nakai, T. Homma
    • Organizer
      INTERFINISH2020
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Zn電析過程における Zn原子の表面拡散挙動と電子状態の解析2021

    • Author(s)
      王松毅,女部田勇介,國本雅宏,中井浩巳,本間敬之
    • Organizer
      2021年電気化学秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Zn負極の電析初期における析出形態形成過程のマルチスケールシミュレーションによる解析2021

    • Author(s)
      女部田勇介
    • Organizer
      第2回非鉄製錬学Web討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Multiscale Simulation for the Initial Stage of the Zn Electrodeposition with Kinetic Monte Carlo Based on First-Principle Calculation2020

    • Author(s)
      Y. Onabuta, K. Onuki, S. Wang, M. Kunimoto, H. Nakai, T. Homma
    • Organizer
      237th ECS Meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multiscale Simulation for Effects of the Li+ Addition at the Initial Stage of Zn Electrodeposition Processes2020

    • Author(s)
      Y. Onabuta, S. Wang, M. Kunimoto, H. Nakai, T. Homma
    • Organizer
      PRiME2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-12-25  

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