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2014 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 25820355
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

田村 友幸  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90415711)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードリチウムイオン二次電池 / 正極材料 / 第一原理計算
研究実績の概要

[平成25年度] 電解質構成分子であるエチレンカーボネイト(EC: C3HO4O3)は分極が大きく,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ため,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.

[平成26年度] 前年度得られた界面化学反応の詳細を調べるために,各原子のスペクトル変化をシミュレーションし,実験結果との比較検討を行った.その結果,実験と同様のCo-K端スペクトル変化の傾向が確認されたが,その起源は,現在定説とされている「表面Coの還元反応」ではなく「Coの価数変化を伴わないEC分子との反応に伴う局所構造変化」である可能性が高いことが詳細な電子状態解析から明らかになった.実験で得られるXANESスペクトルは主に参照スペクトルとの指紋照合により解釈されるために常に真偽について問題となるが,理論計算でその真偽を決定づけることが可能である.本年度得られた結果からスペクトル変化の起源を新たに提案したことにより,実験結果についてのこれまでの解釈が大きく変わる可能性がある.これにより複雑な電極-電解質界面の化学反応の解明が大きく進むと期待でき,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.

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

[概要]に示した通り,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,(1) 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, (2) その化学反応時のスペクトル変化のシミュレーションを実施し,現在定説とされている「表面Coの還元反応」ではなく「Coの価数変化を伴わないEC分子との反応に伴う局所構造変化」が起源である可能性が高いこと, を示唆する結果を得た.特に(2)については, 実験結果についてのこれまでの解釈を大きく変える可能性があり,波及効果は大きいと予想される.

今後の研究の推進方策

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, 平成26年度の結果から,現在定説とされている「表面Coの還元反応」ではなく「Coの価数変化を伴わないEC分子との反応に伴う局所構造変化」である可能性が高いことを示唆する結果を得た.これらは実験結果についてのこれまでの解釈を大きく変える可能性があり,極めて重要な問題と思われる.従って, 平成27年度はLiCoO2正極界面のみに注力し,本年度提案したモデルの妥当性をより詳細に検討した上で, 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する.

次年度使用額が生じた理由

学会参加費について通常料金ではなく期日前料金が適用されたため

次年度使用額の使用計画

消耗品費として使用する

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2015 2014

すべて 学会発表 (5件)

  • [学会発表] 第一原理計算を用いた全固体Liイオン電池の界面の研究2015

    • 著者名/発表者名
      伊藤匡平,尾形修司,田村友幸,小林亮
    • 学会等名
      日本物理学会 第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-03-23 – 2015-03-23
  • [学会発表] 第一原理計算による全固体Liイオン電池正極 電解質界面の構造解析2015

    • 著者名/発表者名
      稲吉輝,田村友幸,小林亮,尾形修司
    • 学会等名
      日本物理学会 第70回年次大会
    • 発表場所
      早稲田大学
    • 年月日
      2015-03-22 – 2015-03-22
  • [学会発表] First-principles in-situ XAS simulation of chemical reaction at cathode-electrolyte interface in Li-ion batteries2015

    • 著者名/発表者名
      T. Tamura, R. Kobayashi, and S. Ogata
    • 学会等名
      ISEPD2015 (The 16th International Symposium on Eco-materials Processing and Design)
    • 発表場所
      Kathmandu, Nepal
    • 年月日
      2015-01-13 – 2015-01-13
  • [学会発表] First-principles study of transition-metal K-edge XANES for Li-rich solid-solution layered cathode material2014

    • 著者名/発表者名
      T. Tamura, R. Kobayashi, and S. Ogata
    • 学会等名
      ACCMS-VO9 (The 9th General Meeting of Asian Consortium on Computational Materials Science - Virtual Organization)
    • 発表場所
      沖縄科学技術大学院大学
    • 年月日
      2014-12-20 – 2014-12-20
  • [学会発表] First-principles study of microstructure of the Li-rich layered cathode/solid-state electrolytes interface2014

    • 著者名/発表者名
      A. Inayoshi, T. Tamura, R. Kobayashi, and S. Ogata
    • 学会等名
      ACCMS-VO9 (The 9th General Meeting of Asian Consortium on Computational Materials Science - Virtual Organization)
    • 発表場所
      沖縄科学技術大学院大学
    • 年月日
      2014-12-20 – 2014-12-20

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公開日: 2016-06-01  

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