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Construction of design optimization method of microscopic and macroscopic structures in all-solid-state lithium-ion batteries

Research Project

Project/Area Number 23K22655
Project/Area Number (Other) 22H01384 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 18030:Design engineering-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

西脇 眞二  京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩井 裕  京都大学, 工学研究科, 教授 (00314229)
岸本 将史  京都大学, 工学研究科, 准教授 (10757636)
泉井 一浩  京都大学, 工学研究科, 教授 (90314228)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Keywords全固体リチウムイオン電池 / トポロジー最適化 / 電気科学反応モデル / マルチスケール解析法 / 均質化法
Outline of Research at the Start

固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は,高エネルギ密度,高出力密度,長寿命でかつ,発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている.本研究では,バルク型全固体電池を対象に,トポロジー最適化に基づき,高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する.すなわち,全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら,マクロ構造の最適化として,全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する.

Outline of Annual Research Achievements

固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は,高エネルギ密度,高出力密度,長寿命でかつ,発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている.本研究では,バルク型全固体電池を対象に,トポロジー最適化に基づき,高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する.すなわち,全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら,マクロ構造の最適化として,全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する.
本年度は,活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造を対象としたトポロジー最適設計法を構築した.はじめに,コンポジット領域内にユニットセルが周期的に並んでいると仮定し,均質化法を用いてユニットセル内の活物質相と電解質相の分布から,リチウムの拡散係数や伝導度といったマクロな特性値を導出する方法を構築した.そして,このミクロ構造とマクロな特性値の関係を基に,トポロジー最適化により,マクロで定義した目的関数を最小化するようなミクロ構造を導出する方法論を構築した.その際,設計感度と呼ばれる目的関数の設計変数による微分を随伴変数法に基づき導出し,複数の変数を介して非線形に連成していた目的関数と設計変数の関係を数学的に明らかにした.また,この導出により最適化にかかる計算コストの削減に成功した.構築したトポロジー最適化により得られた最適構造は,ユニットセル内で活物質相と電解質相が電極方向に分布した構造であった.この結果は電極方向の拡散係数を大きくする方が電池内部の抵抗が小さくなるという物理的考察と一致しており,構築した手法の妥当性を検証できた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は,予定通り,活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造を対象としたトポロジー最適設計法を構築できた.さらに,簡単な数値計算により,最適設計法の妥当性を検証することができたから.

Strategy for Future Research Activity

2024年度は,マクロ構造の最適化として,全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する.すなわち,まずマクロな構造の最適化を行うための目的関数と制約条件の定式化を行う.さらにその定式化に基づく最適設計プログラムの実装を行う.その実装したプログラムにより,幾つかの最適構造を求め,その結果の妥当性について検証を行う.その検証結果をもとに必要であれば方法論の改良を行う.
2025年度には,2023年度に構築したミクロ構造の最適設計法とマクロ構造の最適設計法の統合化を進める.その統合化した方法に基づき,ミクロ・マクロ構造を同時に最適化可能なマルチスケール構造最適設計法を構築する.そして,方法論のプログラム実装を行うとともに,幾つかの最適構造を求め,その結果の妥当性について検証を行う.その検証結果をもとに必要であれば方法論の改良を行う.
なお,マルチスケールの構造最適化において,放電の効率化最大化をする最適構造を求めるには,時系列な数値解析を行う問題の最適化を図るため数十回~数百回の繰り返しを必要とし, また3次元問題では計算規模が非常きくなり,実用時間において最適解を得ることは難しい.本研究でに大は,この問題を解決するため,性能のある程度の定量性は確保しながらも短時間で評価可能なLow-fidelityのマクロ・ミクロ構造の簡略化された数理モデルを機械学習に基づくモデル同定法により構築することを検討する.さらに,同定されたモデルを用いて,簡単な設計例を対象にマルチスケール構造最適化を行い,方法の妥当性を検証し,必要であれば同定されたモデルの改良を行う.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022

All Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Presentation] Basic study of the structural optimization for all-solid-state batteries2023

    • Author(s)
      shida, N., Kondoh, T., Kishimoto, M., Furuta, K., Izui, K., Iwai, H., and Nishiwaki, S.
    • Organizer
      The 15th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimisation (WCSMO-15)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fundamental Study of Topology Optimization for All-Solid-State Batteries2023

    • Author(s)
      Ishida, N., Kondoh, T., Kishimoto, M., Furuta, K., Izui, K., Iwai, H., and Nishiwaki, S.
    • Organizer
      The 17th U.S. National Congress on Computational Mechanics (USNCCM-17),
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 固体電池を対象としたトポロジー最適化に関する基礎検討2023

    • Author(s)
      石田尚之,岸本将史,佐々木貴光,近藤継男,古田幸三,泉井一浩,岩井裕,西脇眞二
    • Organizer
      2023年度日本機会学会年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 全固体電池負極の充放電数値解析 ー活物質中Li輸送の異方性の影響ー2023

    • Author(s)
      松川廉,岸本将史,岩井裕
    • Organizer
      日本機械学会熱工学コンファレンス2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 活物質中の拡散現象の異方性を考慮した全固体電池正極の3次元数値シミュレーション2022

    • Author(s)
      篠田大二朗,岸本将史,岩井裕
    • Organizer
      電池討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 活物質内のリチウム輸送の異方性を考慮したバルク型全固体LIB負極の充放電シミュレーション2022

    • Author(s)
      松川廉,岸本将史,岩井裕
    • Organizer
      日本機械学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Level-set based topology optimization of a microfluidic mixing problem2022

    • Author(s)
      Ishida, N., Li, H., Kondoh, T., Furuta, K., Izui, K., and Nishiwaki, S.
    • Organizer
      Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM-APCOM2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topology optimization Using Level-set Method for a Microfluidic Static Mixer2022

    • Author(s)
      Ishida, N., Li, H., Kondoh, T., Furuta, K., Izui, K., and Nishiwaki, S.
    • Organizer
      Meshfree and Novel Finite Element Methods with Applications 2022 (MFEM2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 静止型混合器を対象としたレベルセット法に基づくトポロジー最適化法の構築と流体モデルの比較2022

    • Author(s)
      石田尚之,Li Hao,近藤継男,古田幸三,泉井一浩,西脇眞二
    • Organizer
      2022年度日本機会学会年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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