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2021 年度 実績報告書

多元系蓄電材料の古典力場開発と焼結界面のイオン伝導解析

公募研究

研究領域蓄電固体デバイスの創成に向けた界面イオンダイナミクスの科学
研究課題/領域番号 20H05290
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

小林 亮  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70560126)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワード蓄電材料 / 固体電解質 / 界面 / 分子動力学 / シミュレーション
研究実績の概要

安全性などの観点から次世代電池として全固体電池が期待され,既に実用化されてきているが,未だに液系に匹敵するイオン伝導度を持つ固体電解質は実用化されていない.焼結された固体電解質における粒界でのイオン伝導抵抗が大きいことが一因だが,粒界抵抗と組成・構造の関係は十分に解明されていない.本研究では,組成・構造が与えられたときに粒界においてどのような原子構造が実現し,イオン伝導抵抗にどう影響するかを分子動力学(MD)シミュレーションを用いて原子スケールから解明することを目的としている.
さまざまな組成・構造の候補材料のMDシミュレーションを行うため,量子論に基づく高精度ではあるが計算負荷の大きな MDシミュレーションから計算負荷の低いが十分な近似精度の原子間力場を非常に効率的に構築する手法を開発した.本手法は,従来法とは異なり,高精度MDから動的な物理量の分布関数を参照データとして原子間力場のパラメータを最適化することで,MDシミュレーションを行った際に安定な力場を構築することができる.また,パラメータ探索範囲を自動的に更新する新手法を用いてメタヒューリスティクスを行うことで,従来は試行錯誤を必要としていた作業を効率化することに成功し た.本研究で開発した手法を用いることで,非常に効率的に高精度な原子間力場を構築することができるようになり,新規固体電解質材料であってもイオン伝導挙動のMDシミュレーションを即座に行うことが可能となった.
また,多結晶材料のMDシミュレーションから粒界におけるイオン伝導経路を抽出する新手法を開発し,次世代電解質材料候補であるNASICON型LZPの粒界におけるイオン伝導抵抗の原子スケールの機構を明らかにした.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Non-equilibrium molecular dynamics study on atomistic origin of grain boundary resistivity in NASICON-type Li-ion conductor2022

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Ryo、Nakano Koki、Nakayama Masanobu
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 226 ページ: 117596~117596

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2021.117596

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] nap: A molecular dynamics package with parameter-optimization programs for classical and machine-learning potentials2021

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Ryo
    • 雑誌名

      Journal of Open Source Software

      巻: 6 ページ: 2768~2768

    • DOI

      10.21105/joss.02768

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Exploring the diffusion mechanism of Li ions in different modulated arrangements of La(1-X)/3LixNbO3 with fitted force fields obtained via a metaheuristic algorithm2021

    • 著者名/発表者名
      Yang Zijian、Ward Robyn E.、Tanibata Naoto、Takeda Hayami、Nakayama Masanobu、Kobayashi Ryo
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 366-367 ページ: 115662~115662

    • DOI

      10.1016/j.ssi.2021.115662

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation of Li-Ion Conduction at Grain Boundaries in NASICON-Type LiZr<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> Solid Electrolytes2021

    • 著者名/発表者名
      Nakano Koki、Tanibata Naoto、Takeda Hayami、Kobayashi Ryo、Nakayama Masanobu、Watanabe Naoki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 23604~23612

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c07314

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 固体電解質材料のハイスループット原子間力場構築2021

    • 著者名/発表者名
      小林亮,中野高毅,中山将伸
    • 雑誌名

      日本セラミックス協会誌「セラミックス」

      巻: 56 ページ: 669~673

  • [学会発表] 酸化物固体電解質粒界におけるイオン伝導抵抗機構:分子動力学解析2022

    • 著者名/発表者名
      小林亮,石田健人,中野高毅,中山将伸
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] MD study on atomistic origin of grain boundary resistivity in solid electrolytes2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo KOBAYASHI
    • 学会等名
      Interface IONICS international online symposium 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる固体電解質粒界における局所イオン流解析2021

    • 著者名/発表者名
      小林亮,中野高毅,中山将伸
    • 学会等名
      第62回電池討論会
  • [学会発表] Molecular dynamics analysis on Li-ion flux at grain boundaries in a solid-state electrolyte2021

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kobayashi, Koki Nakano, Masanobu Nakayama
    • 学会等名
      日本MRS
  • [図書] AI・MI・計算科学を活用した蓄電池研究開発動向,第7章2021

    • 著者名/発表者名
      小林亮,[監修]森分博紀
    • 総ページ数
      246
    • 出版者
      シーエムシー・リサーチ

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公開日: 2022-12-28  

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