2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of reactive force-field and molecular dynamics simulation of electrode-electrolyte interfaces
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21K04650
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小林 亮 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70560126)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 蓄電材料 / 分子動力学 / 反応力場 / 電極電解質界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，全固体電池の性能を左右する電極・電解質界面におけるミクロな反応機構を明らかにするため，化学反応を再現可能な原子間力場を効率的に構築する手法およびプログラムを開発する．開発した手法を用いてLi金属とNASICON型固体電解質の界面のシミュレーションを可能とする力場を構築し ，電極・電解質界面の分子動力学シミュレーションを行い，ナノスケールの観点から界面構造変化やイオン伝導機構をより深く理解できる方法論を確立することを目的とする．
研究の第一段階として，反応力場およびそれを最適化するプログラムの開発を行った．電極・電解質におけるイオンの出入りをシミュレートするために個々のイオンの電荷が環境に応じて変化する電荷可変型のクーロンポテンシャルを導入し，ポテンシャルパラメータとなる電気陰性度とハードネスを最適化することで，種々の組成におけるイオンの電荷の値に関して量子力学計算結果をよく再現することができることを確認した．また，クーロンポテンシャル以外の原子間力場として最適なものを探すため，従来の反応力場において採用された種々の力場を検討し，本課題で着目する材料系（Li/LLZO）に対して最適な力場の選定を行った．
また，上記反応力場がさまざまな組成・構造における二体・三体分布関数や形成エンタルピーを再現するよう，さまざまな物理量を学習データとして採用できるよう，パラメータ最適化プログラムの改変を起こった．これらの開発により，電荷可変型クーロンと選定した力場からなる反応力場を用いて，Li/LLZO系のMDシミュレーションが可能な反応力場の構築を行った．
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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
研究スタート時に，研究を次の３段階に分けた．（１）反応力場の関数選定および力場プログラム構築，力場パラメータ最適化プログラムの拡張を行い，反応力場のパラメータ最適化を可能にする．（２）力場構築手順および構築された力場の精度を検証する．（３）構築した反応力場を用いた電極・電解質界面の分子動力学シミュレーションを行い，着目するいくつかの反応機構の解明を目指す．
本課題初年度において，（１）の反応力場選定および力場パラメータ最適化プログラムの改変には当初の見積もり程度の時間を要したが，（２）の力場構築過程およびその精度検証に関しては想定よりも速く進捗しており，現在論文投稿準備段階にある．種々の材料の組み合わせの反応力場を検討しながら，一つの対象系（Li/LLZO）の電極・電解質界面における反応ダイナミクスの分子動力学シミュレーションを始められる段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画の（２）段階目の，力場構築過程および構築された力場の精度検証を行っていく．現在構築しているLi/LLZO系の反応力場に関しては，元素単体，金属間化合物，金属酸化物の各組成の二体・三体分布関数および組成間の形成エンタルピーの再現性検証を行った．今後はLi/LLZOのような界面における精度検証を行う必要がある．また，種々の異なる材料系への適用を考え，最適化対象の選択およびそれらの間の最適化重みを決定する基準を検討し，力場構築から精度検証をより効率的に行う枠組み作りを行っていく．
研究計画の第３段階で，構築したLi/LLZO系の反応力場を用いて，次のようないくつかの界面反応の分子動力学シミュレーションを行っていく．（ア）異なるLi/LLZO界面接合系のシミュレーションを行い，界面の安定性および界面における第２相（interphase）の発生の可能性，異なる界面におけるLiイオン伝導抵抗の差異を検討する．（イ）粒界３重点を含む系におけるイオン伝導シミュレーションを行い，３重点やボイドにおけるLi金属析出の機構を調べる．（ウ）LLZO多結晶とLi金属の界面を構築してイオン伝導シミュレーションを行い，Liイオン伝導のLLZO粒界への侵入およびデンドライト成長初期過程の機構を調べる．
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| Causes of Carryover |
少額を適切に執行するのが難しかったため次年度使用とする必要が生じた．当該助成金は翌年度助成金と合わせて有効活用する．
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| Remarks |
反応力場および力場パラメータ最適化のシミュレーションはwebページ（１）で公開している独自プログラムを用いた．
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