2021 Fiscal Year Research-status Report
固液界面での化学反応を加速するシミュレーション法の開発
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20K05246
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
尾形 修司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90251404)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 化学反応加速 / DFT / MD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固液界面において常温で進む皮膜生成反応は，DFTを用いる第一原理分子動力学シミュレーションで実行可能なピコ秒オーダーに比べて6桁以上長い時間の現象であり，計算量が膨大なため，既存の計算法では再現できない．この根本的問題を解決するため，対象系から選んだ少数の反応中心原子間で電子が移動する化学反応プロセスを網羅的にリストし，適切なindexを用いて分類した後に，直接計算と統計的推測を組み合わせて精度良くバリアを求め，統計力学に基づいて1つの反応プロセスを選んで化学反応を人為的に加速する手法を新たに開発している．開発時の主要な適用系は， Liイオン電池のグラファイト負極近傍でのLイオンとEthelene Carbonate液体との皮膜生成反応である．開発に成功すると，長い時間スケールで生じる固液界面での皮膜生成などの化学反応を，第一原理からのシミュレーションで可能にするという夢への一歩となる．2021年度の研究成果は以下である：(i) 少数の反応中心原子群を選び，その原子群内での電子移動のエネルギーバリアを計算する際に，互いに隣接した３原子から６原子までの範囲で原子群を選ぶことで，目的とする主要な化学反応を再現できることを見出したこと．(ii) 少数の反応中心原子群を特徴づける指紋（fingerprint）を，化学ボンドのネットワークマトリックスで表現できることを確認したこと．(iv) 歪などの外部環境によって同一fingerprintでのプロセス同士のエネルギーバリアが変化する様子を，反応中心原子群内の化学ボンド長を指標に選ぶと良く表現できることを見出し，Kriging法を用いて化学ボンド長から未知のエネルギーバリアを予測するように改良したこと．
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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
本コード開発時の主要な適用系としては， Liイオン電池のグラファイト負極近傍でのLiイオン群とEthelene Carbonate液体との皮膜生成反応である．LiイオンがにEthelene Carbonate分子が溶媒和し，そこに電子数が供給される際に，炭酸リチウムやEthelene Di-carbonateなどからなる皮膜が生成されることが実験から分かっている．現在開発中のシミュレーション手法を用いて，この皮膜生成の過程を再現することを目指している．2021年度に改良した諸手法は以下である：(i) 少数の反応中心原子群を選び，その原子群内での電子移動のエネルギーバリアを計算する際に，互いに隣接した３原子から６原子までの範囲で原子群を選ぶことで，目的とする主要な化学反応を再現できることを見出したこと．(ii) 少数の反応中心原子群を特徴づける指紋（fingerprint）を，化学ボンドのネットワークマトリックスで表現できることを確認したこと．(iv) 歪などの外部環境によって同一fingerprintでのプロセス同士のエネルギーバリアが変化する様子を，反応中心原子群内の化学ボンド長を指標として良く表現できることを見出し，Kriging法を用いて化学ボンド長から未知のエネルギーバリアを予測するように改良したこと．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，実際にEthelene Carbonate分子群にLiイオン群が混入し，電子数が供給される際に，炭酸リチウムやEthelene Di-carbonateなどからなる皮膜が生成される過程に，開発した手法のコードを大規模に適用する．シミュレーションの進展と共に見出される可能性がある予期しない不具合に対しては，その原因を調べ解決するようにコードを改良することを繰り返す予定である．シミュレーションに際しては，その汎用性の確認のため，Ethelene Carbonate分子群に導入するLiイオン数を複数ケース考え，また電子数を供給する際には少しずつ電子数を増やすことで電子数変化レートをできるだけ下げて，実際的なシミュレーションとなるようにする予定である．
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| Causes of Carryover |
経費はスパコン利用料としてその多くの利用を予定している．開発中のシミュレーション手法の改良，さらにそのコード化に時間を要し，予定していた大規模シミュレーションを実施開始が遅れている．そのため，次年度使用額が生じた．
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Research Products
(3 results)
