2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical, Computational & Data Science Studies on Interface Ionics for Energy Storage
| Project Area | Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices |
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| Project/Area Number |
19H05815
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
館山 佳尚 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 副拠点長 (70354149)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中山 将伸 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10401530)
武藤 俊介 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (20209985)
井上 元 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40336003)
DAM HieuChi 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (70397230)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 連続体計算 / 計測インフォマティクス / データ駆動型AI解析 / 電気化学 / イオニクス / 拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実験研究と緊密な連携の下、界面に関連した先端的計算科学・データ科学解析アプローチを開拓し、新規な知見を多数獲得した。
第一原理・力場計算アプローチでは、まず第一原理MD計算により固体電解質”粒界”近傍のイオン伝導が遅くならない場合がありうること及び粒界の電子伝導性からデンドライトへの寄与がありうることを示した。また金属負極界面における溶解析出において、表面欠陥状態が溶解・析出の両方向に影響を与えることを提起した。電極／電解質や粒界などの固固界面では、成分混合や濃度勾配形成などバルクとは異なるイオンの配列が予測される。このような複雑な界面構造を効率的に決定するための遺伝的アルゴリズムによる解析法を提案した。本手法を用いて酸化物イオン導電体の表面や粒界構造が決定できた。
メソスケール計算では、前年度行った個別要素法を基にしたメソスケール解析と固固界面モデルの連携の改良として、電極層全体の応力場と動的構造変化との連携モデルを構築した。粒子界面の固体電解質の被覆形態の差異を対象に、反応界面やイオン伝導性の構造との相関を把握した。また膨張収縮による粒子微粉化の予測解析も可能となった。
データ科学系では、２・３次元計測画像に対して界面の重要な特徴を自動的に発見できる敵対的生成ネットワークを用いたAI解析手法を開発した．電子顕微鏡２次元像データからデータ駆動型のバーチャルな計測画像生成に成功し，計画研究A02が扱う膨大な電子顕微鏡２次元像、硬X線分光タイコグラフィ法による３次元画像に対するAI解析を実施した．また、従来の非負値行列分解法によるスペクトラムイメージデータからの化学成分の分離と可視化スキームにおいて、低い信号／ノイズ比のデータに対してポアソンノイズを適切にモデリングするアルゴリズムを開発し、モデルデータによる検証を行った。さらに本手法をナトリウムイオン電池の材料解析に応用した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画研究A03では、蓄電固体界面の構造および電子・イオン状態の（１）計算科学解析、（２）計測データ等と連動したデータ駆動型AI 解析、その上で（３）蓄電固体界面イオニクスの学理構築を目標としている。
(1)に関しては、界面構造の複雑性による制約からこれまで化学量論組成の固固界面を取り扱ってきた所を、不純物や欠陥・不定比組成などの界面を材料シミュレーションで評価できるようになった。これにより実際の実験系に対応するシミュレーションのモデリングが可能になった。また大規模第一原理MDの挑戦により様々な界面におけるイオン伝導について予言を行えるレベルに達した。特に固体電解質内の粒界に関するイオン伝導性・電子状態解析では新たな知見をもたらした。メソスケール計算に関しては固体間接触とその応力効果を考慮した計算モデルを新たに構築し、応力効果・塑性変形・体積膨張収縮を考慮したイオン輸送・電気化学反応解析が可能となった。特に体積膨張収縮による固体接触界面や電極層全体に亘るクラック形成機構やそれが及ぼす電気化学特性を、各種構造や締結環境下で推定可能となった。（２）については、計測２次元、３次元画像データから学習したデータ駆動型バーチャル計測画像生成技術を開発し，それを用いて構造物性を自動的に発見できるAI手法の開発に至った。さらにこれまで確立したスペクトル分解法による固体電解質／正極界面付近の詳細な化学構造を同定・可視化する具体的応用が進み、また従来TEM分析困難であったNaイオン二次電池負極微粒子の表面状態の化学状態分離・可視化へと応用展開している。これらの開発・確立した手法をもとに、（３）の学理構築に向けて、界面近辺におけるイオン分布・イオン状態変化、イオン移動・拡散に関して、様々な新規原理を提案してきた。本研究課題開始時に比べ、格段に新しい知見が増えており、研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験研究と連携をさらに深化させ、蓄電固体界面の構造・イオン変調・電子状態に関する計算科学・データ科学研究をさらに加速させる。電子的・化学的・力学的・電気化学因子等の解析を更に押し進め、界面イオニクスの学理構築に取り組むと共に、界面イオン輸送・イオン蓄積を促進する材料提案も目指す。具体的には、これまでの計算研究から得られてきた、イオン・電子の（標準）電気化学ポテンシャルや活量の描像を実験とより整合性の取れた形に改良しつつ、界面イオン輸送の解析手法を確立する。特に界面における組成・構造・電気化学ポテンシャル変化の描像は、数nmにわたる厚みをもった空間を評価する必要が認識されつつあり、第一原理計算だけではなく、界面空間での物質交換・輸送を取り扱えるマルチスケール粒子系計算やインフォマティクス手法を発展させる。さらにイオン・電子の電気化学ポテンシャルの描像を実験計測ベースでも構築し、固体間の接触界面における反応機構、理論反応式の提案を目指す。さらに界面イオン輸送をメゾ・マクロ計算に組み込み電極層構造など実用環境を想定したダイナミクスを対象に、充放電特性が予測可能な計算モデルを構築する。
データ駆動型AI 解析側では、引き続き深さ分解XAFSデータの解析法の開発を進める。またエネルギー損失広域微細構造にスパースモデリングを適用し、元素選択的な局所ナノ構造解析法を開発しつつある。X線・中性子によるRDF、放射光によるEXAFS解析を補完する新たなガラス構造のナノ構造可視化法となることが期待される。また２次元・３次元画像に対して固体材料界面における反応を追跡可能にする界面の重要特徴量を自動的に発見するAI解析手法の開発を推進し、界面付近でイオン移動描像のさらなる深化を目指す。最終的に、蓄電固体界面科学の教科書を作成できるよう理論的な準備を今後も進めていく。
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