2020 Fiscal Year Research-status Report
二次電池材料における局所構造と機械的性質の解明と設計指針の確立に向けた手法開発
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20K05696
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
田中 真悟 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (50357448)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 幸平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (70805621)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 局所機械的性質 / 第一原理計算 / Liイオン電池 / Naイオン電池 / 局所エネルギー解析 / 局所応力解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Liイオン電池やNaイオン電池のような二次電池の材料に関して、計算科学を駆使してナノ・原子レベルでのミクロスケールの局所構造と局所機械的特性の研究を遂行する。また、研究に必要な解析手法・プログラムの改良・開発を行う。得られた結果を基に、AIによる機械学習・深層学習を活用して構造と特性を「診断」し、新たな材料開発を行う上で必要となる「処方箋」の提供に向けた仕組みを構築していく。上記を遂行するために第一原理計算手法を基にした局所エネルギー・応力解析によるミクロスケールでの局所機械的特性について、二次電池電極材料の充放電時のバルク・粒界・界面を具体例として研究をすすめ、その適用性を明らかにすると共に、その結果を深層学習等のAIを用いた分析により、汎用性・転移性の高いデータベースとして開発を行うことを目的としている。研究実施初年度となる2020年度は、局所エネルギー・応力解析プログラムの改良・開発に関しては、局所領域を判定するユニットの拡張をすすめると共に、二次電池系材料への第一原理計算と現行手法の範囲内での局所解析を実行し、その結果を参照しながら、AIを用いた分析・学習にむけた適用性について検討を進めた。
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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
解析プログラムでは、局所領域を判定するユニットの拡張について検討・改良を進めた。現状では、取り扱うセル中の原子ごとの局所領域を用いている。これは、イオン結合性や金属結合性が強い系に対して広く適用可能だが、共有結合性が強い系では、領域判定が困難となるケースが存在する。局所領域として原子間を含むものを取り扱うと、判定可能となることが分かった。現行手法の適用可能性は、レビュー誌で詳細を示した [Mater. Trans. 62, 1 (2021)]。現行手法の範囲内において、負極材料であるLi4Ti5O12（LTO）系とNa3LiTi5O12（NTO）系に対して第一原理計算と局所エネルギー解析を実施した [RSC Adv. 10, 33509 (2020)]。両者は、基本となるスピネル型構造中のTiのサイトの一部をLiが置換していて、周辺のOが影響を受けて微小変位を示す。その分布はLTOに比べてNTOで大きいにも関わらず、NTOでもスムースな充放電が可能である。その理由は、Oの局所的な変位があってもエネルギーの上昇につながりにくい特徴を有しているためであることが、局所エネルギー解析によって明らかとなった。今回、LTO・NTOの最安定原子構造を求めるために、Li置換の自由度を考慮した8444モデルで第一原理計算を実施しており、各モデルに対する構造やエネルギーのデータが得られている。それらのデータを用いて訓練データ・教師データを準備し、AIを用いた機械学習を実施することで、最安定構造の探索を試行した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、2020年度に改良した解析プログラムを整備し、現行手法で実施した系や新手法で有効であると考えられる系（共有結合性を示す系など）で局所領域判定に関する有効性の検証を進める。また、新手法を用いてLTO系やNTO系などの酸化物系負極材料、酸化物・硫化物系・フッ化物系などの各種正極材料、Li, Na, Mgなどの金属負極材料に対して第一原理計算を実施し、局所構造と機械的特性の解析を進めていく。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの収束が見込めないことにより、研究活動及びテクニカルスタッフの新規雇用を抑制したため。今年度はその点を踏まえた上で研究計画・予算遂行を実施する。
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