2021 Fiscal Year Annual Research Report
負極界面における亜鉛結晶成長機構のマルチスケールシミュレーション及び実験的解析
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20J23239
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
女部田 勇介 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | Zn負極 / Zn電解析出 / 第一原理計算 / Kinetic Monte Carlo法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ｚｎ二次電池負極においては充電中に発生する平滑でない析出（＝異常析出）による電池性能の低下が課題となっている。本研究ではこのＺｎ負極における異常析出の形成機構を明らかにし、その抑制に向けた設計指針の策定を目指している。Ｚｎ析出形態形成過程を解析するため、マルチスケールシミュレーション及び電気化学測定等の実験を組み合わせることで原子・分子レベルからナノスケールまでの解析を行ってきている。また、マルチスケールシミュレーションのうち、第一原理計算によって得られた結果を基に電子状態の解析を進めることで、さらに表面や吸着種の間の相互作用の観点からもＺｎ電析時の析出成長について検討している。
異常析出の抑制に向けては、表面形態に対して影響を与える添加剤の効果を解析し、その作用機構を理解することが、有用な添加剤の設計指針となりうる。従来研究より、Ｚｎ電析へのＰｂ添加時には、マイクロオーダーの一様なＺｎ柱状析出が現れることが示唆されている。このような知見からＰｂは、Ｚｎ負極を用いた際に発生する異常析出を制御する添加剤の一つとして期待されている。本研究ではＰｂ添加時におけるＺｎ電析実験を行い、さらにシミュレーションも行うことで、Ｐｂ添加時におけるＺｎ電析挙動の解析を進めている。この結果として、Ｚｎ電析へのＰｂ添加時の特徴的なＺｎ柱状析出についてその三次元的な結晶構造が明らかになった。また、このZn柱状析出はＰｂによって被覆されていることが示唆された。現在この結果を基に、析出Ｚｎ原子のＰｂ被覆時における挙動に対する第一原理計算による解析を進めており、析出Ｚｎ原子のＰｂ層内への取り込み挙動が明らかになりつつある。
ここまでの結果を報文１報、学会３件として発表している。
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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
昨年度までのマルチスケールシミュレーションの構築、それによる異常析出の解析に加え、本年度は電気化学測定等の実験と第一原理計算を相補的に利用した、添加剤ＰｂのＺｎ電析における形態及び結晶成長過程の解析を行った。特に実験手法による解析は、昨年度から進めてきた研究班における実験従事メンバーとのミーティングによって詳細な検討が可能となっている。特に、週に２回程度、実験班メンバーとのミーティングを自ら企画し、実験手順や方法について検討を進めている。また、このような実験的解析を背景として、シミュレーションにおける現象のモデル化を進めることで、従来では検討が困難であった表面における析出Ｚｎ原子の挙動が明らかになりつつある。この取り組みを通じて、上記のようなＰｂを添加剤として用いた場合のＺｎ電析時の原子レベルでの析出挙動について、シミュレーション及び実験の両側面から解析が進められている。これにより、原子・分子レベルのスケールと実験レベルのスケールをつなげた電析過程の議論を可能としている。
このような研究への取り組みによって、精力的な成果報告を行い、招待講演や国際学会における発表を行っており、研究グループメンバーも国内学会での発表を行っている。また報文を1報執筆しており、現在は、Ｐｂ添加時におけるＺｎ析出及び添加剤利用時のマルチスケールシミュレーションによる解析に関する報文をそれぞれまとめている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに行ってきた添加剤の効果に関する研究を引き続き進める。金属添加種であるＰｂに着目して、実験的な解析及びシミュレーションによってＺｎとＰｂの表面における原子レベルでの挙動について考察を進める。ここまでの研究に加え、電気化学測定によって得られた薄膜の解析によってＰｂとＺｎの表面における組成を検討する。またシミュレーションによってＰｂとＺｎの表面エネルギーについて解析を進め、報文としてまとめる。
加えて、Ｚｎの電子状態と析出形態における関係を検討する。これによって、電子状態から原子スケールでのＺｎ析出時の挙動、ナノレベル、マイクロレベルでの析出成長を系統的な議論としてまとめる。これまでの研究においてＺｎの異常析出には、平滑な（０００１）におけるＺｎ原子の表面拡散と、Ｚｎ（０００１）が形成するステップ構造におけるステップから降りていくための拡散が重要な因子であることが明らかにされている。Ｚｎにおいてはこの表面拡散挙動として、平滑面で速く、ステップで遅いということが示唆されており、このＺｎ特有の表面拡散挙動についてさらなる解析が必要である。そこで、この表面拡散挙動の由来について、表面と吸着原子の電子状態を解析することで、Ｚｎのどのような性質が異常析出をもたらすのかを検討する。
これらの系統的な解析によって、異常析出の抑制の指針を検討し、それらの結果で報文の執筆を行う。
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