ダイレクトダイナミックス法によるダイアモンド、グラファイト中の化学種の拡散機構

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14540460
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 清水 晃 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90002013)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田地川 浩人 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10207045)
• Keywords: 分子動力学 / 炭素クラスター / ナノ材料開発 / リチウムバッテリー / 拡散ダイナミックス / 機能設計

Research Abstract

ガラス質炭素繊維はリチウム2次電池の陰極として注目されている材料の一つである。本研究ではダイレクト・ダイナミックス法により、ガラス質炭素の炭素シート上および、その周辺部で安定化したLi^+イオンとLi原子の拡散経路を理論的に予測した。
シュミレーションは、水素終端した炭素数54個からなるクラスターモデルを用いて、半経験MO(AM1)法により計算した。各原子は古典粒子としてポテンシャル面上を運動することを仮定した。
AM1レベルの構造最適化により、Li^+とLiはともにクラスターモデルの周辺部で安定化することを明らかにした。各原子の電荷の検討結果と合わせると、Li^+はside edgeとcorner edgeの炭素とイオン結合をするが、Liはside edgeの炭素とsp3混成軌道により共有結合をすることが、示された。ダイレクト・ダイナミックス法により、Li^+とLiの700Kにおける拡散ダイナミックスを計算した。Li+は解離して拡散によりクラスターのバルクを横切り、その後、クラスターから脱出する。拡散はhighest occupied molecular orbital(HOMO)の節に沿って起こる。一方、Liは共有結合を保ったまま、side edgeの炭素の周囲を振動するのみであり、700K以下では脱出は起こらないことを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Akira SHIMIZU: "The direct molecular dynamics Study on the hydrogen species adsorbed on the surface of planar graphite cluster model"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 63. 579-763 (2002)
• [Publications] Akira SHIMIZU: "Diffusion of Li+ ion in graphite cluster model at 800 K: a direct molecular orbital dynamics Study"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 63. 619-624 (2002)