| Project/Area Number |
23K28261
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| Project/Area Number (Other) |
23H03571 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 64020:Environmental load reduction and remediation-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
竹市 信彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (40357398)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片岡 理樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (20737994)
本下 晶晴 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (50371084)
多田 幸平 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (70805621)
横井 崚佑 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80849894)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
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| Keywords | ナトリウムイオン電池 / LCA評価 / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
再生可能エネルギーの導入に向けて蓄電技術が果たす役割は大きい。希少金属を必要とする蓄電池の大量導入による希少金属資源の需給逼迫の懸念からNaイオン電池の開発が期待されている。その一方、社会実装に向け、（1）実用レベルの電池の開発、（2）社会ニーズに対応した材料の探索、（3）電池のライフサイクルを通じたCO2排出削減及び希少金属利用回避などの環境パフォーマンスの実証、という課題がある。本研究では、従来の試行錯誤による材料探索から脱却し、材料実験・理論計算・環境性能評価を融合することで事前対策型（プロアクティブ）の材料探索を加速する手法を構築し、社会実装の実現に向けたNaイオン電池材料を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、家庭用電力貯蔵用電源と同等のエネルギー密度を有し、安全性が高く環境影響の小さいNaイオン電池の開発を目指している。特に、実験・理論計算・環境性能評価を融合して進めることで、高性能・低環境負荷型Naイオン電池の開発を加速し、電池設計スキームの構築に取り組んでいる。今年度は、昨年度の研究成果である機械学習スキームや保有するライフサイクルアセスメント (LCA) とその評価技術を基に研究開発を遂行し以下の成果を得た。
(1)低環境負荷な正極材料候補であるP2型Na2/3(Mn2/3Ni1/3)O2に対して、LCA解析から環境負荷が大きいと特定されたNiを他元素で置換可能であるか、機械学習ポテンシャル及び密度汎関数理論を用いて検証した。更に、Niに対して、性能向上の効果が大きいTiを用い、コストと環境負荷を抑えた材料合成方法について検討し材料開発を実施した。また、第一原理に基づく電位プロファイル予測の高速化にも着手し、正極材料だけではなく、負極材料や遷移金属を含まない有機物材料にも本計算スキームが適応できるか、電池動作機構解明とカチオンであるNaイオンの脱挿入の可否に関する情報を得た。
(2)電池の環境性能向上の鍵となる環境ホットスポットの特定のため、正極材料中の元素に対し、置換できる元素の探索とその環境影響についての予備的分析を行った。また、資源利用に関わる環境パフォーマンス評価のため、LCAの環境影響評価手法であるLIMEで採用されているユーザーコスト法に基づいて、29の鉱物資源、3種の化石資源を対象に国別の影響評価係数を得た。
(3)結晶性制御によるP2型Na2/3(Mn2/3Ni1/3)O2正極材料の結晶粒の表面エネルギーに着目し、実験と理論計算の両面から充放電機構や相変態の解明など性能向上メカニズムに関する知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、家庭用電力貯蔵用電源と同等のエネルギー密度を有し、安全性が高く環境影響の小さいNaイオン電池の開発を目指している。特に、実験・理論計算・環境性能評価を融合して進めることで、高性能・低環境負荷型Naイオン電池の開発を加速し、電池設計スキームの構築に注力している。24年度は、昨年度の研究成果である機械学習スキームや保有するライフサイクルアセスメント (LCA) とその評価技術を基にして、(1)低環境負荷な正極材料候補であるP2型Na2/3(Mn2/3Ni1/3)O2に対して、LCA解析から環境負荷が大きいと特定されたNiを他元素で置換可能であるか、機械学習ポテンシャル及び密度汎関数理論を用いて検証した。更に、Niに対して、性能向上の効果が大きいTiを用い、コストと環境負荷を抑えた材料合成方法について検討し材料開発を開始した。また、第一原理に基づく電位プロファイル予測の高速化にも着手した。更に、正極材料だけではなく、負極材料や遷移金属を含まない有機物材料にも本計算スキームが適応できるか、電池動作機構解明とカチオンであるNaイオンの脱挿入の可否についても検討した。(2)電池の環境性能向上の鍵となる環境ホットスポットの特定のため、正極材料中の元素を置換できる元素の探索とその環境影響についての予備的分析を行った。また、資源利用に関わる環境パフォーマンス評価のため、LCAの環境影響評価手法であるLIMEで採用されているユーザーコスト法に基づいて、国別の影響評価係数を29の鉱物資源、3種の化石資源を対象に得た。(3)結晶性制御によるP2型Na2/3(Mn2/3Ni1/3)O2正極材料の結晶粒の表面エネルギーに着目し、実験と理論計算の両面から機構解明など性能向上メカニズムについて検討し知見を得るなど、順調に研究成果は出ていると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度も、高性能で、安全性が高く環境影響の小さいNaイオン電池の開発を目指す。実験・理論計算・環境性能評価を融合して進めることで、高性能・低環境負荷型Naイオン電池の開発を加速し、電池設計スキームの構築を目指し、以下の3課題に取り組む。
課題1プロアクティブデザインに基づくNaイオン電池の性能実証:第一原理計算およびLCAによって選定された元素を対象に材料合成を試み電池性能を評価し性能・環境面が両立できる材料開発を実施する。充放電過程で生じる平均的・局所的な構造変化を放射光XRD、全散乱測定やEXAFSを用いて構造情報を特定し、これらの結果を理論計算にフィードバックすることで、計算による予測精度を向上させ、効率的な材料設計手法の構築を目指す。
課題2効率的な電池材料開発に必要な理論計算による性能予測の精度向上:電池材料に含まれる元素の一部をLCAにより絞り込まれた環境影響が小さい元素に置換し、電位、構造、電子状態、磁性を調べる。また、LCAによる材料の絞り込み状況に応じて、適宜計算条件を最適化することで、他の実験的な分析・評価手法の進度とシンクロするように効率的に計算を進める。
課題3電池の環境性能向上の鍵となる環境ホットスポットの特定:材料や電池自体の環境負荷量の算定やCO2排出や金属資源消費などの複数の環境影響の包括的評価を進め、ライフサイクル影響評価手法（LIME）を活用して、関連する環境影響（気候変動、資源消費、有害化学物質など）を統合的に評価することで、複数の環境問題間でのトレードオフを含めて電池のライフサイクル全体の環境影響の中でホットスポットを抽出し、理論計算・材料実験へフィードバックする。
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