2021 Fiscal Year Research-status Report
Search for New Next Generation Cathode Materials for Magnesium Secondary Batteries using First-Principle Calculation
| Project/Area Number |
20K15382
|
|---|
| Research Institution | Tokyo University of Science |
|---|
Principal Investigator |
石橋 千晶 東京理科大学, 理工学部先端化学科, 助教 (80801993)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | マグネシウム二次電池正極材料 / 第一原理計算 / 電気化学 / 理論化学 / 分子動力学計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
近年、カーボンニュートラルな社会の実現のために蓄電池の需要が増加している。現在繰り返し充放電が可能な蓄電池としてLiイオン電池が広く使用されている。しかし、原料であるLi金属は希少資源であるため、Liイオン電池以外の次世代畜電池材料の開発が急務の課題である。そこで、資源が潤沢にあるMg金属は2価のカチオンであるため高い体積エネルギー密度が期待される。そこで、マグネシウム二次電池正極材の中でも特に三次元的な拡散経路を有するスピネル型MgM2O4(M=Co,Ni,Mn,V)酸化物の正極特性に注目した。更に第一原理計算を用いた理論的予測があればMgM2O4(M=Co,Ni,Mn,V)のような複雑な組成をもつ酸化物であっても容易に局所構造を予測することが可能である。当研究の目的は、スピネル型MgM2O4(M=Co,Ni,Mn,V)に対して静的な理論計算による新規マグネシウム二次電池正極材料の設計を行い、かつ設計した材料に対して動的な分子シミュレーションを行い、温度を考慮した条件下で、充放電過程における詳細なMgイオンの伝導経路メカニズムおよびイオン挿入量を解明することである。
当該年度ではスピネル型Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電前および充放電時の安定構造を探索し、充放電過程における局所構造の変化とMgイオンの挿入・脱離のメカニズムを明らかにする計画であった。更に研究対象を広げてMgCo0.5-xMnNi0.5AlxO4(x=0, 0.3)の安定構造探索も行い遷移金属種以外のAl原子の影響についても検討を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初はスピネル型Mg1.33V1.57Ni0.1O4とスピネル型Mg1.5V1.5-xNixO4の第一原理計算を用いた安定構造探索を行う予定であったが、スピネル型Mg1.33V1.57Ni0.1O4の方がMg1.5V1.5-xNixO4よりも第一原理計算の結果からは良い電池特性を示すことが示唆されたためMg1.33V1.57Ni0.1O4に焦点を絞って研究を進めた。その結果、実験研究からAl置換をすることによって電池特性が向上した結果が示唆されたため、当初の計画以上にMgCo0.5-xMnNi0.5AlxO4(x=0, 0.3)にも研究対象を広げ、安定構造探索も行い遷移金属種以外のAl原子の影響についても検討を行った。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、昨年度までの研究成果を踏まえて、特に高い電池特性が予測される2種類のスピネルを固溶させた、固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電過程における安定構造の探索を行い、充放電過程における構造変化のメカニズムを明らかにし、Mgイオンの挿入・脱離過程を明らかにする。また、今年度と来年度にかけて分子動力学計算を行い様々な温度条件下における化学拡散係数を算出しMgイオンの拡散のし易さについても明らかにする予定である。
|
| Causes of Carryover |
2020年度、2021年度は新型コロナウィルス感染症の影響により大幅に国内および国際会議の旅費が減少し、機器購入を行うことが可能になった。次年度も機器を使用して研究を遂行することができるため次年度使用額が生じた。
|
