Local ion conduction analyses at interfaces in solid-state electrolytes

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04613
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 小林 亮 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70560126)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 分子動力学 / 固体電解質 / 全固体電池 / イオン伝導度 / 結晶粒界 / 蓄電材料 / 分子動力学シミュレーション / 界面イオン伝導 / 局所イオン伝導解析 / 界面 / イオン伝導

Outline of Research at the Start

より安全な次世代Liイオン二次電池の実現のためには，Liイオン伝導度の高い固体電解質材料の開発が必要である．しかし，実材料の中には結晶界面のようなさまざまな欠陥が存在し，Liイオン伝導に影響を与える．そのような欠陥のLiイオン伝導への影響をより深く理解し，材料開発を促進するため，分子動力学シミュレーションを用い，結晶粒界の存在する多結晶材料中のLiイオンの伝導機構をコンピュータ上で再現し，さまざまな組成・構造において，どのような機構によりLiイオン伝導が促進・阻害されるのかを明らかにすることを目的とする．

Outline of Annual Research Achievements

本課題では，全固体電池のための固体電解質候補材料内部における種々の欠陥がイオン伝導に及ぼす影響を，分子動力学(MD)シミュレーションを用いて解明することを目的としており，具体的に次の2つの課題を設定した．(1)硫化物ガラス・セラミックス内のイオン伝導抵抗機構の解明，(2)酸化物固体電解質内の粒界イオン伝導抵抗機構の解明．
代表的な硫化物ガラス・セラミックスの固体電解質候補材料であるLPS（Li-P-Sの３元系）では，ボールミルで作成したガラスを熱処理して結晶相を析出することでガラス・セラミックスを作成でき，ある結晶化度においてリチウムイオン伝導度が極大値となることが知られている．しかしながら，そのメカニズムに関しては分かっていない．本研究では，結晶・非晶質が混在するモデルで非平衡MDシミュレーションを行って，結晶・非晶質界面における局所イオン伝導度を解析した．その結果，ガラス内に結晶相が析出すると周辺には局所的な引張応力場が発生すること，引張応力場においてLiイオン伝導度が50%程度上昇することが示された．このことから，たとえガラスから析出する結晶相が低イオン伝導相であっても，周辺ガラスの引張応力場においてイオン伝導度が上昇する可能性があること，結晶化度が上昇すると低イオン伝導相の割合が増えるために全体のイオン伝導度が減少するため，イオン伝導度が極大となる結晶化度が存在する，という実験結果を説明することに成功した．
酸化物固体電解質内の粒界イオン伝導抵抗機構に関しては，従来は例がなかったランダム粒界を含む多結晶体の大規模モデルの中で，イオン流の非平衡MDシミュレーションを行い，粒内と粒界でどのようにイオンが流れるか，粒界のどこを通っていくか，イオン伝導抵抗となる粒界における原子構造は何かを明らかにした．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Department of Chemistry and Pharmacy/FAU(ドイツ)
• [Journal Article] Influence of nano-crystallization on Li-ion conductivity in glass Li$$_3$$PS$$_4$$: a molecular dynamics study (2024)
  • Author(s): Kobayashi Ryo、Takemoto Seiji、Ito Ryuichiro
  • Journal Title: Journal of Solid State Electrochemistry Volume: 0 Issue: 12 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1007/s10008-024-05892-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Screening chloride Li‐ion conductors using high‐throughput force‐field molecular dynamics (2023)
  • Author(s): Aizu Shin、Takimoto Shuta、Tanibata Naoto、Takeda Hayami、Nakayama Masanobu、Kobayashi Ryo
  • Journal Title: Journal of the American Ceramic Society Volume: 106 Issue: 5 Pages: 3035-3044
  • DOI: 10.1111/jace.18991
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Asymmetric Domain Nucleation from Dislocation Core in Barium Titanate: Molecular Dynamics Simulation Using Machine‐Learning Potential through Active Learning (2023)
  • Author(s): Deguchi Genki、Kobayashi Ryo、Azuma Hikaru、Ogata Shuji、Uranagase Masayuki、Spreafico Samuele
  • Journal Title: physica status solidi (RRL) ? Rapid Research Letters Volume: 0 Issue: 9 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1002/pssr.202300292
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子動力学法を用いた非一様固体内のイオン伝導解析 (2023)
  • Author(s): 小林亮
  • Organizer: 第２回計算イオニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] 分子動力学法を用いた非一様固体内のイオン伝導解析 (2023)
  • Author(s): 小林亮
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算の時代における物性科学」
  • Invited
• [Presentation] Dislocation effects on the inversion of ferroelectric polarization in BaTiO3 using a graph neural-network potential (2023)
  • Author(s): Genki DEGUCHI, Ryo KOBAYASHI, Shuji OGATA, Masayuki URANAGASE, Takahiro TSUZUKI, Hikaru AZUMA, Seiya SHIMOI
  • Organizer: E-MRS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化物固体材料のハイスループット力場構築と分子動力学シミュレーション〜深層地震機構解明へ向けて〜 (2022)
  • Author(s): 小林亮
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
  • Invited
• [Presentation] Li-ion diffusion in Li3PS4 glass-ceramic using molecular dynamics simulation (2022)
  • Author(s): 伊藤龍一郎，小林亮
  • Organizer: 第32回日本MRS 年次大会
• [Remarks] optzer program
  • URL: https://github.com/ryokbys/optzer
• [Remarks] nap
  • URL: https://github.com/ryokbys/nap
• [Remarks] Nagoya atomistic simulation pachage (nap)
  • URL: https://github.com/ryokbys/nap
• [Remarks] Parameter optimization program (optzer)
  • URL: https://github.com/ryokbys/optzer