2022 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of design optimization method of microscopic and macroscopic structures in all-solid-state lithium-ion batteries
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22H01384
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西脇 眞二 京都大学, 工学研究科, 教授 (10346041)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩井 裕 京都大学, 工学研究科, 教授 (00314229)
岸本 将史 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10757636)
泉井 一浩 京都大学, 工学研究科, 教授 (90314228)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 全固体リチウムイオン電池 / トポロジー最適化 / 電気科学反応モデル / マルチスケール解析法 / 均質化法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は，高エネルギ密度，高出力密度，長寿命でかつ，発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている．本研究では，バルク型全固体電池を対象に，トポロジー最適化に基づき，高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する．すなわち，全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら，マクロ構造の最適化として，全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する．
本年度は，電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討を行った．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進めた．さらに，簡単な数値計算により，解析方法の妥当性を検証した．
また，電池の充放電を模擬する計算が可能となり，電池中の各種パラメータが充放電特性や内部物理量分布に及ぼす影響を調べた．特に，活物質中のリチウム輸送の良し悪しによって電極中のリチウムの輸送経路や反応分布が大きく変化し，その結果充放電容量にも影響を及ぼすことが明らかになった．また，活物質中のリチウム輸送の異方性を考慮できる輸送モデルの開発を行い，異方性が性能に及ぼす影響を明らかにした．
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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
本年度は，予定通り，電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討ができた．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進めることができた．さらに，簡単な数値計算により，解析方法の妥当性を検証することができたから．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，昨年度に引き続き電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討を行う．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進める．その際の課題は，反応電流密度の定式化とアノード・カソードコンポジット状態の中の拡散方程式の状態パラメータの導出にある．反応電流密度の定式には，最も基本的なバトラーボルマー式をまずは導入し，数値計算結果から改良を加える．
また，数理モデルの構築には，アノード・カソードコンポジット状態の解明が重要課題である．すなわち，アノード・カソードコンポジットにおける状態パラメータの導出と，数値解析結果から得られたマクロ構造の状態場に基づき，アノード・カソードコンポジットのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を求めるためには，ミクロ・マクロ関係を解明する方法が必要である．本年度も，昨年度に引き続き，均質化法にもとづきその方法論の構築の検討を進め．コンポジット状態の状態パラメータの導出法を検討する．
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[Presentation] Level-set based topology optimization of a microfluidic mixing problem2022
Author(s)
Ishida, N., Li, H., Kondoh, T., Furuta, K., Izui, K., and Nishiwaki, S.
Organizer
Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM-APCOM2022)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Topology optimization Using Level-set Method for a Microfluidic Static Mixer2022
Author(s)
Ishida, N., Li, H., Kondoh, T., Furuta, K., Izui, K., and Nishiwaki, S.
Organizer
Meshfree and Novel Finite Element Methods with Applications 2022 (MFEM2022)
Int'l Joint Research
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