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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Fundamental Physics of Solid-Liquid Interface Reactions for Graphite intercalation of Lithium

Research Project

Project/Area Number 26390060
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

河合 孝純  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30455571)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岡田 晋  筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords固液界面反応 / リチウムイオン電池 / グラファイトインターカレーション
Outline of Annual Research Achievements

リチウムイオン二次電池の大容量化と急速充放電を可能にする負極グラファイト構造をターゲットとして、グラファイトのエッジおよび欠陥の構造がリチウム原子の拡散に与える影響を第一原理電子状態計算から検討した。
これまでの計算からグラファイトエッジに酸素終端を行うことで、エッジ近傍でのリチウム原子のポテンシャルエネルギーが低下し、拡散障壁が小さくなることが分かって来ていた。一方でこのようにリチウム原子のポテンシャルエネルギーが下がることでリチウム原子がエッジに吸着し、他のリチウムの充放電に伴う拡散を阻害する可能性がある。そこで、リチウムをグラファイトエッジに吸着した状態でのリチウム原子の拡散障壁の計算を実施した。リチウム原子をエッジの終端酸素2原子あたり1個のリチウムを吸着させたところ、拡散するリチウム原子のポテンシャルは浅くなるが、拡散の障壁となるようなポテンシャルの増加は見られず、印加する電圧を制御することで拡散に対する影響はほとんどないことが分かった。
さらに、酸化グラファイトを還元した材料ではグラファイトの欠陥とリチウム原子の相互作用が拡散障壁や吸着エネルギーに影響を与え、容量や急速充放電性能が向上していると考えられるため、様々な欠陥とリチウム原子との相互作用を計算した。計算結果からリチウム原子は吸着によって電子をグラファイトに供与するため、欠陥から離れたところにリチウム原子が吸着する場合でも、最終的に電子が占有する電子状態のエネルギー準位によって吸着エネルギーが大きく変わることが分かった。このことは欠陥構造を制御することでリチウムの吸着エネルギーを制御できることを示しており、大容量化につながる成果と考えている。

  • Research Products

    (13 results)

All 2017 2016

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Journal Article] Li atom adsorption on graphene with various defects for large- capacity Li ion batteries: First-principles calculations2017

    • Author(s)
      Kento Shiota and Takazumi Kawai
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 印刷中 Pages: -

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Influence of the Defects on the Electronic Structures of Bilayer Graphene2016

    • Author(s)
      Ken Kishimoto and Susumu Okada
    • Journal Title

      Surface Science

      Volume: 644 Pages: 18-23

    • DOI

      10.1016/j.susc.2015.08.036

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Energetics and electronic structures of graphene nanoribbons under a lateral electric field2016

    • Author(s)
      Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 96 Pages: 351-361

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2015.09.054

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Influence of electric field on electronic states of graphene nanoribbons under a FET structure2016

    • Author(s)
      Ayaka Yamanaka and Susumu Okada
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 035101

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.035101

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Geometric and electronic structures of corannulene polymers: Ultra narrow graphene ribbons with corrugation and topological defects2016

    • Author(s)
      Kohei Narita and Susumu Okada
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 650 Pages: 76 - 81

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2016.02.075

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electron-state tuning of bilayer graphene by defects2016

    • Author(s)
      Ken Kishimoto and Susumu Okada
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 55 Pages: 06GF06

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.06GF06

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic structure modulation of graphene edges by chemical functionalization2016

    • Author(s)
      Remi Taira, Ayaka Yamanaka, and Susumu Okada
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 9 Pages: 115102

    • DOI

      10.7567/APEX.9.115102

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] リチウムイオン電池グラフェン負極における様々な欠陥とリチウム原子の相互作用に関する第一原理電子状態計算2017

    • Author(s)
      塩田健斗, 河合孝純
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス, 大阪府, 豊中市
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [Presentation] Adsorption Energy Shifts for Li Adatom on Graphene with Various Defect Structures: Ab Initio Calculations2016

    • Author(s)
      Kento Shiota and Takazumi Kawai
    • Organizer
      CNT25
    • Place of Presentation
      Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo
    • Year and Date
      2016-11-15 – 2016-11-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ab Initio Study on Li Intercalation with Edge Oxidized Graphite for Atomistic Understanding of Li Ion Battery2016

    • Author(s)
      Takazumi Kawai, Susumu Okada, and Minoru Otani
    • Organizer
      CNT25
    • Place of Presentation
      Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo
    • Year and Date
      2016-11-15 – 2016-11-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Li atom Adsorption on Graphene with Various Defects for Large-Capacity Li Ion Batteries: First-Principles Calculations2016

    • Author(s)
      Kento Shiota and Takazumi Kawai
    • Organizer
      29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      ANA Crowne Plaza Kyoto, 京都府,京都市
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diffusion of Li atom from a Solvated State to interlayer of Graphite through Carbonylic Edge Termination for Fast Charge/Discharge of Li Ion Battery: First-Principles Calculations2016

    • Author(s)
      Takazumi Kawai, Susumu Okada, and Minoru Otani
    • Organizer
      29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      ANA Crowne Plaza Kyoto, 京都府,京都市
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Li Intercalation from Solvated State to Graphite with Oxidized Edge of Li-Ion-Battery Anode: First-Principles Calculations2016

    • Author(s)
      Takazumi Kawai, Susumu Okada, and Minoru Otani
    • Organizer
      Int Conf on Solid State Devices & Materials (SSDM)
    • Place of Presentation
      International Congress Center, Tsukuba, Ibaraki
    • Year and Date
      2016-09-26 – 2016-09-29
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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