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2022 Fiscal Year Research-status Report

Search for New Next Generation Cathode Materials for Magnesium Secondary Batteries using First-Principle Calculation

Research Project

Project/Area Number 20K15382
Research InstitutionTokyo 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、温室効果ガスを排出しない蓄電池の需要が増加している。現在広く使われているLiイオン電池の材料であるLi金属よりも資源が潤沢にあるMg金属は2価のカチオンであるため蓄電池材料として高い体積エネルギー密度が期待される。そこで、当研究では、スピネル型MgM2O4(M=Co,Ni,Mn,Vなど)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本研究では、マグネシウム二次電池正極材料に対して混合原子価をもつ様々な遷移金属を置換した系に対して第一原理計算を適用し構造安定性を明らかにし、更に分子シミュレーションを行い温度条件下におけるMgの拡散係数を求めMgイオンの挿入・脱離の挙動を調べることを目的する。
これまで遷移金属種を置換種として考慮していたが、当該年度では、前年度に引き続きAlを置換種に含めたスピネル型MgCo0.5-xMnNi0.5AlxO4(x=0, 0.3)の充放電前、放電時の安定構造と電子状態を明らかにした。置換種であるAlがMgの拡散やホスト構造に及ぼす影響を明らかにした。その結果、Alを置換したx=0.3ではAl付近の金属と酸素間の結合を弱める効果があるため、Mgの拡散を促進し充放電容量が増加することを本研究にて予測した。実際、共同研究者がMgCo0.2MnNi0.5Al0.3O4を合成し充放電試験を行ったところ、MgCo0.5MnNi0.5O4よりも高い放電容量を示したことを報告した。第一原理計算を用いた固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電過程におけるMg拡散のメカニズムの研究に現在も着手している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度から取り組んでいるスピネル型MgCo0.5-xMnNi0.5AlxO4(x=0, 0.3)の放電過程における安定構造の探索を引き続き行い、放電過程におけるMgの挿入メカニズムを明らかにした。固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電前、放電過程の安定な局所構造の探索を行っている。当初の研究計画では2023年度も引き続き固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4を対象とした研究活動を行う予定であったため、進行状況はおおむね当初の計画通りに進行している。

Strategy for Future Research Activity

2022年度でも行っている固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の放電過程・充電過程における安定構造の探索を行う。更に充放電後電極の放射光X線全散乱測定によって得られた二体分布関数(pair distribution function:PDF)G(r)の解析を行い、実験データとの比較を行い本研究で得られた理論計算の結果の妥当性を示す。また、放電・充電過程における構造変化量を見積もり、これまでの研究対象としてきたMgCo1.5Mn0.5O4, Mg1.33V1.57Ni0.1O4の構造変化量と比較しMgの拡散メカニズムを明らかにする。更に分子動力学シミュレーションを行い温度変化と拡散係数の関係も示す。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由はVASPおよびLAMMPSパッケージが入っている高性能なワークステーションと周辺機器を購入したためである。2023年度でも引き続き本機器を用いて研究計画にある固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電過程におけるMg拡散のメカニズムの解明に取り組む。

  • Research Products

    (36 results)

All 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] First-principle calculations of stable configurations and electronic structures of pristine and discharged spinel Mg1.31V1.67-xNixO4 (x = 0, 0.13) as cathode materials for magnesium secondary batteries2023

    • Author(s)
      Chiaki Ishibashi, Naoya Ishida, Naoto Kitamura, Yasushi Idemoto
    • Journal Title

      Computational Materials Science

      Volume: 221 Pages: 112087

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2023.112087

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Facile Surface Modification of MgMn2O4 Positive-Electrode Material for Improving Cycle Performance of Magnesium Rechargeable Batteries2022

    • Author(s)
      Naoto Kitamura, Tomoya Imura, Naoya Ishida, Chiaki Ishibashi, Yasushi Idemoto
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Pages: 46915 - 46921

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06633

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Positive electrode properties and crystal structures of Mg‑rich transition metal oxides for magnesium rechargeable batteries2022

    • Author(s)
      Naoto Kitamura, Yoichiro Konishi, Wenli Ma, Naoya Ishida, Toshihiko Mandai, Chiaki Ishibashi, Yasushi Idemoto
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 18097

    • DOI

      10.1038/s41598-022-23022-1

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electrochemical properties and crystal and electronic structure changes during charge/discharge of spinel type cathode-materials Mg1.33V1.67-xMnxO4 for magnesium secondary batteries2022

    • Author(s)
      Yasushi Idemoto, Mina Takamatsu, Chiaki Ishibashi, Naoya Ishida, Toshihiko Mandai, Naoto Kitamura
    • Journal Title

      Journal of Electroanalytical Chemistry

      Volume: 928 Pages: 1107064

    • DOI

      10.1016/j.jelechem.2022.117064

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of Ca substitution on the local structure and oxide ;ion behavior of layered perovskite lanthanum nickelate2022

    • Author(s)
      Naoto Kitamura, Kazuki Kimura, Naoya Ishida, Chiaki Ishibashi, Yasushi Idemoto
    • Journal Title

      Frontiers in Materials

      Volume: 9 Pages: 954729

    • DOI

      10.3389/fmats.2022.954729

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mg二次電池正極材料MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4系酸化物の第一原理計算を用いた放電過程における安定構造および電子構造解析2023

    • Author(s)
      竹内 稜、石橋 千晶、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] Mg二次電池正極材料0.3MgCo2-xMnxO4-0.7Mg(Mg0.33V1.67-yNiy)O4の合成と電池特性、結晶・電子構造の解析2023

    • Author(s)
      熊谷 真一、石橋 千晶、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] MgMn2O4のMo、Al表面修飾による正極特性の検討および結晶・電子構造解析2023

    • Author(s)
      乗竹 諒、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] マグネシウム二次電池正極材料MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4の高温・室温における電池特性および結晶・電子構造の組成依存2023

    • Author(s)
      久保田 寿々、石橋 千晶、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] 0.4Li2MnO3-0.6Li(Mn1/3-xVxCo1/3Ni1/3)O2のV置換による電池特性および平均・局所構造解析2023

    • Author(s)
      大原 知己、石橋 千晶、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] WおよびMgを置換したLi(Ni、Mn)O2系正極材料の電池特性および結晶構造解析2023

    • Author(s)
      滝本 裕一郎、宇佐美 健、松山 晃大、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ系酸化物イオン・電子混合伝導体の合成とMD-RMC法による局所構造解析2023

    • Author(s)
      渡邉 将志、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] Aサイト欠損ペロブスカイト構造のLixLa(1-x)/3NbO3の導電特性と平均・局所・電子構造の組成依存2023

    • Author(s)
      湯 宜中、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
  • [Presentation] リチウムイオン電池用負極材料Ti2Nb10O29の負極特性と量子ビームを用いた平均・局所構造の検討2023

    • Author(s)
      永井 竜、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Mg 二次電池用スピネル型正極材料 αMgCo2-xNixO4-(1-α)Mg(Mg0.33V1.67-yNiy)O4 の電池特性、平均・局所構造2023

    • Author(s)
      松岡 康平・石橋 千晶・北村 尚斗・井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2023年年会
  • [Presentation] 0.5Li2MnO3-0.5Li(Mn10/24Ni7/24Co7/24)O2の充放電過程における平均・電子および局所構造の温度依存性の検討2023

    • Author(s)
      伊藤 弘志・石橋 千晶・北村 尚斗・井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2023年年会
  • [Presentation] Ti1-2xNb2+xInxO7(x = 0、0.03)の負極特性に及ぼすボールミル・熱処理の影響と平均・局所構造解析2023

    • Author(s)
      松原 暉・北村 尚斗 ・石橋 千晶・井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2023年年会
  • [Presentation] (Mg, Zn)-Mn-O系マグネシウム二次電池正極材料の正極特性および結晶・電子構造の検討2022

    • Author(s)
      小野里 要、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      第63回電池討論会
  • [Presentation] Ti1-2xNb2+xInxO7の負極特性および量子ビーム用いた平均・局所構造の検討2022

    • Author(s)
      松原 暉、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      第63回電池討論会
  • [Presentation] スピネル型(Mg,Zn)(Co,Fe,Mn)2O4の正極特性と量子ビームを用いた平均・局所構造解析2022

    • Author(s)
      馬 馼力、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      第63回電池討論会
  • [Presentation] Negative-electrode property and atomic configuration of TiNb2O72022

    • Author(s)
      Naoto Kitamura, Hikari Matsubara, Yohei Onodera, Chiaki Ishibashi, Yasushi Idemoto
    • Organizer
      International Workshop on Exploration of Atomistic Disorder in Long-Range Ordered Systems and of Order in Disordered Materials
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mg 二次電池正極材料 0.3MgCo2-xMnxO4-0.7Mg(Mg0.33V1.67-yNiy)O4の合成と 電池特性、結晶・電子構造2022

    • Author(s)
      井手本 康、熊谷 真一、北村 尚斗、石橋 千晶
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] リチウムイオン電池負極材料 TiNb2O7及び Ti1-2xNb2+xInxO7 の負極特性と平均・局所構造の検討2022

    • Author(s)
      松原 暉、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] (Bi0.5K0.5)TiO3-BiFeO3-K(Nb0.5Ta0.5)O3系強誘電体の強誘電特性に及ぼす 置換・熱処理効果と放射光 X 線を用いた結晶・電子構造解析2022

    • Author(s)
      衣笠 友哉、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] (0.4-x)(Bi0.5K0.5)TiO3-0.6BiFeO3-xK(Ta0.97Mo0.03)O3(x=0.0125 , 0.025)の強誘電特性および結晶・電子構造解析2022

    • Author(s)
      井手本 康、近藤 真輝、石橋 千晶、北村 尚斗
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] Li1.3(Nb,Fe,Ni,Ta)0.7O2の正極特性と量子ビームを用いた平均・局所・電子構造解析2022

    • Author(s)
      内田 誉晃、北村 尚斗、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] Ti-Nb-O 系リチウムイオン電池負極材料の原子配列モデリング2022

    • Author(s)
      北村 尚斗、松原 暉、永井 竜、 小野寺 陽平、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] マグネシウム二次電池正極材料 MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4の電池特性および結晶・電子構造の組成依存2022

    • Author(s)
      井手本 康、久保田 寿々、北村 尚斗、石橋 千晶
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] 充放電過程における 0.5Li2MnO3-0.5Li(Mn10/24Ni7/24Co7/24)O2の平均・局所・電子構造の温度、レート依存2022

    • Author(s)
      橘 ひかり、石橋 千晶、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
  • [Presentation] スピネル型MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4 系酸化物の第一原理計算を用いた安定構造および電子構造解析2022

    • Author(s)
      石橋 千晶、竹内 稜、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] スピネル型α0.3MgCo1.5Mn0.5O4-(1-α)Mg1.33V1.57Ni0.1O4系酸化物の第一原理計算を用いた放電時の安定構造および電子構造解析2022

    • Author(s)
      石橋 千晶、荻田 優介、北村 尚斗、井手本 康
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 0.4Li2MnO3-0.6Li(Mn1/3-xVxCo1/3Ni1/3)O2のV置換による電池特性および結晶・電子構造2022

    • Author(s)
      井手本 康、大原 知己、石橋 千晶、北村 尚斗
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] Liイオン電池正極材料0.5Li2MnO3-0.5Li(Mn10/24Ni7/24Co7/24)O2の定常状態における平均・電子・局所構造の温度依存性の検討2022

    • Author(s)
      井手本 康、伊藤 弘志、石橋 千晶、北村 尚斗
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] リチウムイオン電池用負極材料Ti2Nb10O29の負極特性と平均・局所構造の検討2022

    • Author(s)
      北村 尚斗、永井 竜、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] NASICON型Li1.5Al0.5Ge1.5-xTix(PO4)3の合成、導電特性および平均・電子構造解析2022

    • Author(s)
      井手本 康、福田 海里、石橋 千晶、北村 尚斗、藤田 英史、田上 幸治
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会
  • [Presentation] スピネル型(Mg、Zn)(Co、Fe、Mn)2O4の合成と正極特性および平均・局所構造の検討2022

    • Author(s)
      北村 尚斗、馬 馼力、石橋 千晶、井手本 康
    • Organizer
      2022年電気化学秋季大会

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Published: 2023-12-25  

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