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Theoretical investigation of the ionic conduction mechanism between highly concentrated electrolyte and electrode

Research Project

Project/Area Number 21J12566
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

佐々木 遼馬  東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords固体電解質 / イオン伝導度 / 分子動力学法 / 非平衡分子動力学法
Outline of Research at the Start

リチウムイオン二次電池は、現代社会において必要不可欠なエネルギー材料であり、安全性と出力の更なる向上が求められている。本研究では、安全性の高い新規電解質として有望な高濃度電解液や固体電解質内および電解質/電極界面におけるイオン伝導機構を分子動力学法を用いて、微視的に解明することを目的とする。古典と第一原理分子動力学法の2つを相補的に利用することで、必要とされる精度と空間・時間スケールをできる限り満たしたシミュレーションを行う。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、(1) 非平衡分子動力学法によりイオン伝導度を正確かつ高速に計算する新規手法開発、(2) ガラスセラミックス固体電解質におけるガラス-結晶界面におけるイオン伝導度向上機構解明 の2つに取り組んだ。
(1): 電解質内のイオン種に対して、その形式電荷に比例した外力を与えることでイオン伝導を促し、分子動力学シミュレーションにおけるサンプリング効率を向上させることで、従来の平衡分子動力学法に比べて短い時間でイオン伝導度を評価できる新規非平衡分子動力学法 Chemical color-diffusion非平衡分子動力学法(CCD-NEMD)を開発・実装した。本手法開発を代表的な固体電解質に適用したところ、従来の平衡分子動力学法に比べて必要な計算時間が1/9まで短縮された。また、界面のような局所領域のイオン伝導度を定量化できることも示された。本理論手法開発をまとめた成果は、npj Computational Materials誌に掲載された。
(2): 硫化物固体電解質Li3PS4は、ガラスマトリックス中に微結晶(β-Li3PS4)が析出することで、ガラスのみのイオン伝導度およびβ-Li3PS4のみのイオン伝導度より高いイオン伝導度を発現することが実験的に示唆されてきた。本研究では、複数の界面モデルを検討し、CCD-NEMD法によりその界面の局所的なイオン伝導度を定量化し、その伝導度向上機構を微視的に解明することを目的とした。その結果、一部の界面モデルで、高伝導なα-Li3PS4結晶様な構造が析出し、その結果、イオン伝導度が向上するということが示された。

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

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Nonequilibrium molecular dynamics for accelerated computation of ion-ion correlated conductivity beyond Nernst-Einstein limitation2023

    • Author(s)
      Sasaki Ryoma、Gao Bo、Hitosugi Taro、Tateyama Yoshitaka
    • Journal Title

      npj Computational Materials

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 48-48

    • DOI

      10.1038/s41524-023-00996-8

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Peculiarly Fast Li-ion Conduction Mechanism in a Succinonitrile-Based Molecular Crystal Electrolyte: A Molecular Dynamics Study2021

    • Author(s)
      Ryoma Sasaki, Makoto Moriya, Yuki Watanabe, Kazunori Nishio, Taro Hitosugi, Yoshitaka Tateyama
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. A

      Volume: 9 Issue: 26 Pages: 14897-14903

    • DOI

      10.1039/d1ta02809j

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Non-equilibrium Molecular Dynamics Study on Solid Electrolyte Ionic Conductivity Including Carrier’s Correlation Effect2022

    • Author(s)
      Sasaki Ryoma、Hitosugi Taro、Tateyama Yoshitaka
    • Organizer
      IMLB2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非平衡分子動力学法による固体電解質のイオン-イオン相関を考慮したイオン伝導度計算の高速化2022

    • Author(s)
      佐々木 遼馬、一杉 太郎、館山 佳尚
    • Organizer
      第63回電池討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] “Molecular dynamics study of peculiarly high Li-ion conductivity in Li{N(SO2F)2}(NCCH2CH2CN)2 molecular crystal2021

    • Author(s)
      Sasaki Ryoma、Moriya Makoto、Watanabe Yuki、Nishio Kazunori、Hitosugi Taro、Tateyama Yoshitaka
    • Organizer
      2021 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unravelling the Fast Li-ion Conduction Mechanism in a Succinonitrile-Based Molecular Crystal: A Molecular Dynamics Study2021

    • Author(s)
      Sasaki Ryoma、Moriya Makoto、Watanabe Yuki、Nishio Kazunori、Hitosugi Taro、Tateyama Yoshitaka
    • Organizer
      72nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 分子動力学法による Li{N(SO2F)2}(NCCH2CH2CN)2有機結晶電解質の高速リチウムイオン伝導機構の解明2021

    • Author(s)
      佐々木 遼馬、守谷 誠、渡邊 佑紀、西尾 和記、一杉 太郎、館山 佳尚
    • Organizer
      第62回電池討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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