2013 Fiscal Year Research-status Report
第一原理in-situ XAS計算によるLiイオン電池正極界面の化学反応の解明
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25820355
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Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
田村 友幸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90415711)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | リチウムイオン二次電池 / 正極材料 / 第一原理計算 |
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| Research Abstract |
電解質構成分子であるエチレンカーボネイト(EC: C3HO4O3)やプロピレンカーボネイト(PC: C4H6O3)は分極が大きく，周期境界条件において隣接セル間の相互作用を小さくするためには十分な真空領域が必要であり，むしろ分子間相互作用を打ち消すように複数個を含む方が扱うセルを小さくでき，結果的に計算負荷が少なくできることがわかった．また，実験では現在のところ，LiCoO2界面に関する報告があるのみで，Li2MnO3界面の報告はない．
以上の理由から，研究計画では初年度に孤立電解質分子を扱う予定だったが，計画を前倒しして，電解質分子10個を含むLiCoO2-電解液界面を構築し，さらに有限温度での第一原理分子動力学シミュレーションを実行した．その結果，充放電前の液浸時にすでに電解質分子の開裂とともに正極側からLiが離脱することを見いだした．これは複雑な電極-電解質界面の化学反応の解明に向けた大きな一歩であり，電池特性の劣化現象の解明および劣化抑制に向けた材料設計に繋がると考えている．次年度以降は界面化学反応を詳細に調べるために (i) 各元素のスペクトル変化を計算し，実験結果と比較することにより，反応の妥当性を検討する．さらには (ii) 充電時の電圧印加時の化学反応ダイナミクスを明らかにし，(iii) LiCoO2正極からLi2MnO3固溶体正極へと展開する．
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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
[概要]に示した通り，分極の大きい電解質分子を扱う場合，孤立分子よりも複数分子を扱う方が結果的に計算負荷を小さくできることが明らかになった．研究計画では初年度に孤立電解質分子を扱う予定だったが，計画を前倒しして，電解質分子10個を含むLiCoO2-電解液界面を構築し，さらに第一原理分子動力学シミュレーションを実行した．その結果，計画時には想定していなかった充放電前の液浸時にすでに電極界面での化学反応が起きていることを示唆する結果を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画では電圧印加時のみに着目していたが，平成25年度の結果から充放電前の液浸時にすでに電極界面での化学反応が起きていることが示唆される．従って，材料劣化の起源を探る上で，これらの化学反応の詳細を明らかにすることが不可欠と判断し，平成26年度前半は，充放電前の液浸時の界面化学反応を詳細に調べるために各元素のスペクトル変化を計算し，実験結果と比較することにより，反応の妥当性を検討する．それと平行して，充放電時の電圧印加下の動力学を扱うプログラムを整備する．
平成26年度後半以降は，充放電時の電圧印加時の化学反応ダイナミクスを明らかにし，さらにはLiCoO2正極からLi2MnO3固溶体正極へと展開する．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
外国語論文校閲として計上していたものであるが，論文校閲を利用しなかった．
平成26年度の大型計算機使用料として使用する．
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