2023 年度研究成果報告書

第一原理計算を用いた次世代マグネシウム二次電池用新規正極材料の探索

研究課題

PDF

研究課題/領域番号	20K15382
研究種目	若手研究
配分区分	基金
審査区分	小区分36020:エネルギー関連化学
研究機関	東京理科大学
研究代表者	石橋千晶東京理科大学, 創域理工学部先端化学科, 助教 (80801993)
研究期間 (年度)	2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード	マグネシウム二次電池 / 正極材料 / 第一原理計算
研究成果の概要	本研究は、リチウムイオン電池に匹敵する新規電池材料としてマグネシウム二次電池正極材料に着目し、第一原理計算を用いた材料設計を行った。また、当研究室グループでは実際に材料合成を行い電気化学的試験も行っている。しかし、他種の遷移金属を含む複雑な組成の物質であるため、これまでは安定な局所構造が未解明であった。そこで、量子ビームを用いた結晶構造解析の結果を基に第一原理計算を用いた安定な局所構造を求め、各種遷移金属がMgの拡散に及ぼす影響を明らかにした。特に固溶体材料MgCo2-xMnxO4-Mg(Mg0.5V1.5Nix)O4では充放電に伴う構造変化が少なく高いサイクル特性を示すことを予測した。
自由記述の分野	電気化学
研究成果の学術的意義や社会的意義	本研究における最大のオリジナリティーは、静的な理論計算による新規マグネシウム二次電池正極材料の設計を行い、充放電過程における詳細なMgイオンの伝導経路メカニズムおよびイオン挿入量を解明する点である。特に、最先端のPDF解析や結晶構造解析を駆使した局所構造の解析も行うことで、リアリティーのある材料設計が可能である。理論計算で設計した新規材料を実際に合成し電池特性の測定を行い、そのデータを更に理論計算に還元し、置換種の再検討を行うことで、より電池特性が向上する系の設計を行う研究サイクルを形成でき、高い機能を備えた新規のマグネシウム二次電池正極材料を効率よく行うことができるという大きな意義をもつ。