2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K06491
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
有吉 欽吾 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80381979)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸田 逸平 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 助教 (30419676)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | リチウムイオン蓄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H２７年度は、既存の電池材料について電極電位の計算を遂行するなかで、電位論を構築する上で課題となる計算結果の信頼性および正確性に関する考察を行い、その成果を学術報文として投稿した。また電池材料の電位を明らかにするうえで鍵となる材料（リチウム・コバルト・マンガン酸化物）について合成を検討し、その材料化に成功するとともに電池材料として機能することを確認した。
１．計算からのアプローチとしては、まず電池材料の電位の計算結果を実測された電位と比較・検証する際の基盤となる計算科学に固有のランダム誤差の理論的な取り扱い方を確立した．この固体材料のエネルギー計算における成果を「Error Control of Single-Point Energy from First-principles Band Calculations」として学術誌に投稿した．この成果を踏まえて、リチウム含有遷移金属酸化物のなかでスピネル型構造および層構造をもつものについて系統的にエネルギー計算を行い、電池材料の電位に及ぼす構造の違いについて検討した。
２．実験からのアプローチとしては、層構造をもつリチウム・コバルト酸化物と、スピネル型構造を持つリチウム・マンガン酸化物とを、任意の組成で混合したリチウム・コバルト・マンガン酸化物について合成を試みた結果、マンガンを過剰に含む組成においてスピネル型構造ではないものの、層構造をもつ材料の合成に成功し、これによりコバルトのみを含む試料からマンガンのみを含む試料まで一連の組成をもつ電池材料が得られた。
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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
（計算グループ）H２７年度において、電池材料の計算を行うための基盤整備として、計算機部品を購入して従来資産である計算機クラスターを増強した。これにより本課題の遂行に最低限必要な計算環境を整えた。計算機を効率的に運用するためのソフトウェアを導入し、計算支援用プログラムを開発した。仮想的な電池材料としてスピネル型構造および層構造をもつリチウム含有遷移金属酸化物（遷移金属元素として、３ｄ遷移金属元素であるクロムから銅までの元素を対象）について、初期状態および反応後の物質のエネルギーを計算し、そこからそれぞれの材料における理論電位を評価した。また一部の材料については、反応途中の材料についてもエネルギー計算を行うことで、材料の組成変動にともなう電位の変化、つまり電位曲線の可視化を検討した。
（実験グループ）本年度では、固相合成法により一連のリチウム・コバルト・マンガン酸化物について合成を試み、リチウム・コバルト酸化物（LiCoO2）およびリチウム・マンガン酸化物（Li2MnO3）を端組成とする固溶体の合成に成功した。またこれらの材料について電気化学測定を行い、いずれの組成においても電池材料として機能すること、および作動電圧および反応の可逆性が材料の組成によって大きく変化することを明らかにした。また、これらの結果から材料のコバルトおよびマンガン含有率の違いによって反応機構に大きな違いが見られることから、それぞれの材料に適した電位計測のための電気化学測定法について検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（計算グループ）これまでに検討したスピネル型構造および層構造をもつリチウム含有遷移金属酸化物について、反応途中の材料についても系統的にエネルギー計算を行い、材料の組成変動にともなう電位の変化を見積もることで電位曲線の可視化を検討する。本課題の目的である構造因子の抽出のためにはこれまでに行った2種類の構造の評価だけでは信頼性が低く，更に幾つかの構造について評価する必要がある．また計算対象となる材料についても、新たにそこで一部材料において電位の実測が可能なルチル型構造をもつ遷移金属酸化物についても電位計算を評価し，これらの結果を包括した議論を行ったうえで学術的な報告をする予定であるう予定である。また計算対象となる固相酸化・還元イオンについても、これまでの３ｄ遷移金属元素に加えて、４ｄならびに５ｄ遷移金属元素についても検討を行う。
（実験グループ）H２８年度では、H２７で材料化に成功したリチウム・コバルト・マンガン酸化物について、より精密な電位計測を行うために電気化学測定法の確立ならびに電気化学測定システムの構築をめざす。さらに一連の材料について種々の条件下で電位計測を行うことにより、反応の熱力学パラメータの導出を行う。また計算グループで対象とする４ｄおよび５ｄ遷移金属酸化物について電池反応を検討し、可逆性を確保できた材料について電位計測を行う。
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| Causes of Carryover |
H２７年度においては、計算グループにより予測された電池材料について合成の検討ならびに電位計測を行う予定であったが、電位の計算結果を実測された電位と比較・検証する際の基盤となる計算科学に固有のランダム誤差の理論的な取り扱い方を確立する必要性が認められた。そのため、まずは上記の課題に注力することとし、電池材料の合成手法の検討ならびに電位計測に関わる検討については次年度（H２８年度）に行うこととしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H２７年度に計算グループにより検討された電池材料について、合成手法の検討ならびに電位計測のための電気化学測定システムの確立を行う。具体的には、電気化学セルの購入ならびに計測システムの構築に使用する。
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