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2017 Fiscal Year Annual Research Report

リチウムイオン電池負極材としての細菌由来鉄酸化物の機能特性に関する第一原理的研究

Research Project

Project/Area Number 16J05234
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

三澤 賢明  熊本大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2016-04-22 – 2018-03-31
Keywords第一原理分子動力学シミュレーション / 表面界面化学反応 / 金属酸化物 / 反応ダイナミクス / リチウムイオン電池 / 負極活物質
Outline of Annual Research Achievements

本年度は(1)遷移金属酸化物表面における分子の吸着反応の第一原理分子動力学シミュレーション(2)ケイ素のドープによって解離反応における負荷が緩和されるメカニズムの調査 に着手した。
(1)遷移金属酸化物表面における表面科学反応を詳しく調査する目的で、三酸化モリブデン表面における硫黄分子の反応性と表面酸素欠陥の影響に関する第一原理分子動力学シミュレーションを行った。その結果、分子の反応性を高めるためには、金属酸化物表面における欠陥の存在が必要不可欠であることを、反応経路に沿った自由エネルギー変化の観点から明らかにした。さらに、二硫黄を用いた場合は欠陥サイトにおいて安定な吸着状態が得られたのに対し、八硫黄は欠陥の有無によらず金属元素との結合性が現れないことがわかった。本シミュレーションにより得られた反応特性は、遷移金属元素における局在化したd軌道およびスピン偏極などの条件設定によらず不変であり、先行研究とも矛盾しない結果を与える。
(2)ケイ素のドープによって解離反応における負荷が緩和されるメカニズムを調査するため、Population解析の手法に基づき、ある原子間にはたらく共有結合性の強さの指標となるBond overlap population(BOP)を解析した。吸着状態におけるBOPを調べた結果、ケイ素をドープした酸化鉄においては不純物のない酸化鉄に比べてリチウム-酸素原子間の共有結合性が弱くなっていることが明らかになった。それに対し、ケイ素-酸素原子間のBOPは鉄-酸素、リチウム-酸素間のものに比べて明確に高い値を示していた。これらの結果から、不純物としてドープされたケイ素が電極中の酸素と共有結合性の高い強固な化学結合を作ることにより、電極の構造的安定性を向上させるとともにリチウムイオンの吸着強度を弱め、より可逆的な表面吸着・解離反応を実現していることが明らかになった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (12 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Univ. of Southern California(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Univ. of Southern California
  • [Journal Article] Chemical Vapor Deposition Synthesis of MoS2 Layers from the Direct Sulfidation of MoO3 Surfaces Using Reactive Molecular Dynamics Simulations2018

    • Author(s)
      Sungwook Hong, Chunyang Sheng, Aravind Krishnamoorthy, Pankaj Rajak, Subodh Tiwari, Ken-ichi Nomura, Masaaki Misawa, Fuyuki Shimojo, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano and Priya Vashishta
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry

      Volume: 122 Pages: 7494-7503

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.7b12035

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Picosecond Electronic and Structural Dynamics in Photo-excited Monolayer MoSe22018

    • Author(s)
      Lindsay Bassman, Aravind Krishnamoorthy, Aiichiro Nakano, Rajiv K. Kalia, Hiroyuki Kumazoe, Masaaki Misawa, Fuyuki Shimojo and Priya Vashishta
    • Journal Title

      MRS Advances

      Volume: 3 Pages: 391-396

    • DOI

      10.1557/adv.2018.259

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reactivity of Sulfur Molecules on MoO3 (010) Surface2017

    • Author(s)
      Masaaki Misawa, Subodh Tiwari, Sungwook Hong, Aravind Krishnamoorthy, Fuyuki Shimojo, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano and Priya Vashishta
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 8 Pages: 6206-6210

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.7b03011

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Computational Synthesis of MoS2 Layers by Reactive Molecular Dynamics Simulations: Initial Sulfidation of MoO3 Surfaces2017

    • Author(s)
      Sungwook Hong, Aravind Krishnamoorthy, Pankaj Rajak, Subodh Tiwari, Masaaki Misawa, Fuyuki Shimojo, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano and Priya Vashishta
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 17 Pages: 4866-4872

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.7b01727

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] First-principles study on the lithiation/delithiation reactions of Si-doped iron oxide nanoparticles2018

    • Author(s)
      Masaaki Misawa
    • Organizer
      APS March Meeting 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First-principles study on the polyamorphism in silica2017

    • Author(s)
      Masaaki Misawa
    • Organizer
      The 5th International Symposium on Kumamoto Synchrotron and Radiation
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reactivity and electronic properties of α-MoO3 (010) surface with a S2 molecule2017

    • Author(s)
      Masaaki Misawa
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MgSiO3高圧相における引張応力誘起アモルファス化の第一原理的研究2017

    • Author(s)
      三澤賢明
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] MoO3(101)表面の酸素欠陥サイトにおけるS2分子の吸着状態2017

    • Author(s)
      三澤賢明
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] Crystal-To-Amorphous Transformation of MgSiO3 Akimotoite and Bridgmanite Under Tension2017

    • Author(s)
      Masaaki Misawa
    • Organizer
      The 10th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Tensile amorphization of high-pressure phases of magnesium silicate MgSiO32017

    • Author(s)
      Masaaki Misawa
    • Organizer
      The 4th International Symposium on Kumamoto Synchrotron Radiation
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-12-17   Modified: 2022-05-30  

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