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2020 年度 実施状況報告書

第一原理計算と溶液理論を用いたリチウムイオン電池の電荷移動反応の研究

研究課題

研究課題/領域番号 20K15376
研究機関東京大学

研究代表者

春山 潤  東京大学, 物性研究所, 助教 (80772003)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード第一原理計算 / リチウムイオン電池 / 電気化学反応シミュレーション / 電極/電解液界面
研究実績の概要

リチウムイオン電池(LIB)の主なセル抵抗は電極/電解液界面の電荷移動抵抗である. 抵抗低減に向けた基礎的な取り組みとして, 研究代表者はグラファイト電極/電解液界面における電荷移動反応の解析を行っている. 本研究では, 密度汎関数理論+溶液理論計算という電気化学反応に適した枠組みにより, 電荷移動反応の微視的シミュレーション及び活性化障壁と反応遷移状態の解析を実施する. 目標として, 理想的なグラファイト表面から溶媒が還元分解された不動態被膜の存在下での活性化障壁の検証, 及びグラファイトへの共挿入現象の電荷移動過程を理解することで抵抗低減への設計指針とする.
昨年度は研究開始初年度として, LIBの反応機構を議論する上で基礎となるグラファイト電極のLi挿入に伴う構造変化を第一原理計算によって解析した. 特にLi挿入グラファイトの高ステージ構造に着目し, 第一原理計算から求めた生成エンタルピーに格子振動と配置エントロピー項を加えることで生成自由エネルギーを求め, 計算で得られた熱力学的状態と実験を比較・議論した.
具体的な結果として, 生成自由エネルギーに対する振動効果の寄与は22 meV/C6 以下であり, 補正として小さいがLiC18組成における最安定状態は振動寄与及び配置エントロピーを加えないと凸包とならないことがわかった. また配置効果により低Li組成においてAB積層が熱力学的に安定となり, AB転移組成は実験と整合性のある値を示した. 以上の結果をもとに春季物理学会及び電気化学会でそれぞれ発表を行い, さらに同内容で論文を執筆中である.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究開始初年度として本研究の目標である電極/電解液界面の電荷移動抵抗の解析に向けて、グラファイト電極の構造変化を詳細に解析することで反応機構の理解が深まったと考えられる. 昨年度の解析は理想的なグラファイト表面/不動態被膜界面及びグラファイト共挿入現象のシミュレーションへの足掛かりとなる. 以上のように, 概ね順調に進捗している.

今後の研究の推進方策

今後は電気化学反応の基礎的な振る舞いを理解するために, 密度汎関数理論+溶液理論計算を用いて半導体電極界面のフラットバンド電位などの解析もLIBのシミュレーションと並行して行なっていく予定である.

次年度使用額が生じた理由

未使用額18,661円は当初の予定では物品費に割り当てられていたが, 年度末に予期せぬ割引金額が適用され他への流用が困難であった。この額は少額であるため翌年度の助成金の使用計画に変更はない。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Comparative Study on Sulfide and Oxide Electrolyte Interfaces with Cathodes in All-Solid-State Battery via First-Principles Calculations2020

    • 著者名/発表者名
      Okuno Yukihiro、Haruyama Jun、Tateyama Yoshitaka
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 3 ページ: 11061~11072

    • DOI

      10.1021/acsaem.0c02033

    • 査読あり
  • [学会発表] 第一原理計算+溶液理論を用いたLiグラファイトの反応解析2021

    • 著者名/発表者名
      春山潤
    • 学会等名
      PCoMS Symposium & Annual meeting of SCCMS 2020
    • 招待講演
  • [学会発表] Li挿入グラファイトの熱力学的安定性の第一原理計算2021

    • 著者名/発表者名
      春山潤, 高木繁治, 下田景士, 渡邊巖, 袖山慶太郎, 池庄司民夫, 大谷実
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 第一原理計算を用いたLi挿入グラファイトの熱力学的安定性の解析2021

    • 著者名/発表者名
      春山潤, 高木繁治, 下田景士, 渡邊巖, 袖山慶太郎, 池庄司民夫, 大谷実
    • 学会等名
      第88回電気化学会
  • [学会発表] 古典密度汎関数理論を用いたLennard-Jones・剛体球系の分布関数計算2020

    • 著者名/発表者名
      春山潤, 杉野修
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] First-Principles Analysis for Phase Stability of Li-Intercalated Graphite in Li-Ion Battery2020

    • 著者名/発表者名
      Jun Haruyama, Shigeharu Takagi, Keiji Shimoda, Iwao Watanabe, Keitaro Sodeyama, Tamio Ikeshoji, Minoru Otani
    • 学会等名
      PRiME 2020/238th ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 第一原理計算を用いたLi挿入グラファイトの安定性の解析2020

    • 著者名/発表者名
      春山潤, 高木繁治, 下田景士, 渡邊巖, 袖山慶太郎, 池庄司民夫, 大谷実
    • 学会等名
      第61回電池討論会
  • [学会発表] 計算科学によるLiイオン電池における界面の電荷移動反応の理解2020

    • 著者名/発表者名
      春山潤
    • 学会等名
      日本学術振興会「先端ナノデバイス・材料ナノテクノロジー第151委員会」令和2年度 第2回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 古典密度汎関数理論を用いたLennard-Jones液体・剛体球系の分布関数計算2020

    • 著者名/発表者名
      春山潤, 杉野修
    • 学会等名
      物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会

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公開日: 2021-12-27  

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