【材料科学】全固体型リチウムイオン電池の電極界面の構造・現象を原子レベルでシミュレーション

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NIMS、全固体リチウム2次電池の高精度電子・原子シミュレーションに成功
[2014/07/04]

物質・材料研究機構(NIMS)は7月3日、全固体リチウム2次電池の酸化物正極と硫化物固体
電解質の界面に対する高精度電子・原子シミュレーションに成功し、正極界面における
界面抵抗の起源を理論的に実証したと発表した。

同成果は、NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の館山佳尚グループリーダーらに
よるもの。詳細は、米国化学会発行の材料化学誌「Chemistry of Materials」のオンライン
版に掲載された。

リチウムイオン電池は、スマートフォンから飛行機まで幅広く利用されているが、電解
液の発火など安全上の問題が現在も残っている。原因は、燃えやすい有機溶媒を電解液の
主成分として使わざるを得ないことにあり、近年その解決策の1つとして燃えない固体
電解質を用いた次世代蓄電池の開発が注目を集めている。しかし、一般に固体電解質は
リチウムイオンの伝導特性が有機溶媒系ほど良くないために充放電速度が遅いといった
問題があり、実用化に向けてリチウムイオンの輸送抵抗の低減が急務となっている。特に、
電極−電解質界面の抵抗の改善は重要な課題で、これまでに緩衝層の導入による抵抗減少
などが提案されているが、充放電時の界面の電子・原子の動きを実験的に観察することは
難しく、界面抵抗の起源の解明とその制御法の確立は全固体電池開発の技術的課題として
残っていた。

今回、研究グループは、シミュレーションにより全固体リチウム2次電池の酸化物正極−
硫化物電解質界面における界面原子構造やリチウムイオンの挙動を理論的に明らかにした。
具体的には、電子・原子の動きを高精度で取り扱える密度汎関数理論(DFT)をベースに
した計算手法と、固体−固体界面の安定構造探索に向けた計算技術の融合により、この
ような解析が可能になった。さらに、正極界面抵抗の起源として、硫化物側の空間電荷層の
成長が主要な役割を果たすことを示し、緩衝層の導入がこの空間電荷層効果を緩和する
ことを電子・原子スケールで理論的に実証した。

今回の成果は、最近議論されていた全固体リチウム2次電池の正極−固体電解質界面の
界面抵抗の起源を明らかにするとともに、緩衝層導入による界面抵抗の低減機構を原子
スケールから与えるものとなっており、今後の全固体電池の高性能化に向けた界面設計に
貢献すると考えられる。また、取り扱いの難しかった固体−固体界面の整合に関する
系統的な計算解析手法を提案しており、今後シミュレーションとの融合による全固体
電池材料の探索研究がさらに盛んになり、安全でかつ高性能な次世代蓄電池の開発が
促進されることが期待されるとコメントしている。

酸化物正極−硫化物固体電解質の界面に緩衝層が(1)ない場合と(2)ある場合の高精度
計算により得られたリチウムイオン状態(原子構造(緑球がリチウムイオン)と濃度分布の
充電時の変化)、と対応する実験結果(充電曲線と界面抵抗棒グラフ)。緩衝層がない場合、
リチウムイオンの空間電荷層が成長し界面抵抗を増大させるが、緩衝層の導入により
それが抑制されることが示されたとしている
http://news.mynavi.jp/news/2014/07/04/280/images/001l.jpg

ソース:マイナビニュース(2014/07/04)
NIMS、全固体リチウム2次電池の高精度電子・原子シミュレーションに成功
http://news.mynavi.jp/news/2014/07/04/280/

原論文:Chemistry of Materials
Jun Haruyama, Keitaro Sodeyama, Liyuan Han, Kazunori Takada, and Yoshitaka Tateyama.
Space?Charge Layer Effect at Interface between Oxide Cathode and Sulfide Electrolyte
in All-Solid-State Lithium-Ion Battery.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm5016959

プレスリリース:物質・材料研究機構(2014.07.03)
次世代蓄電池の正極?固体電解質界面のリチウムイオン状態シミュレーションに成功
http://www.nims.go.jp/news/press/2014/07/p201407030.html
2名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:10:57.21 ID:+v5twEMT
フムフム、なーるほど!
3名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:12:27.17 ID:MZ7Mf4n0
どーゆーことだってばよお
4名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:19:18.20 ID:GS3o0y60
これって第一原理計算?ある程度マクロまで計算出来るようになったのかな?
5名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:30:07.11 ID:Azqg2JzX
空乏層みたいな〜〜〜?
6名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:30:15.01 ID:I1g1jXIl
そりゃあDFTと言えど数百〜数千とかだろうが。
硫化物側の空間電荷層って電気的二重層の事かな?もしそうなら、1〜2nmの実空間が扱えれば済む話。
7名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 07:37:16.17 ID:m/3Q2JVV
いつのまにか実験の半分以上は計算機の中っていう時代になってたね
8名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:14:30.42 ID:clmCPviF
燃える原因の1つは筐体の膨張収縮と振動だろ。

その微妙な組み合わせで、絶縁性が壊れる。
9名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:23:15.42 ID:S50gmUBz
>>1
俺のオートバイに使ってる
10名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:24:22.63 ID:n/hHkog8
「電解液の発火など安全上の問題が現在も残っている」
国産ならかなり安全性が高いが、中国・韓国製は低い
だから、いくら新技術があって(パクられて)も、作る国で精度が違う
結局、信用できるのは日本製だけだから
11名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:38:55.72 ID:VmTnFDo4
>>1
一年前に全く同じニュースがあった気がする
12名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:57:18.25 ID:gK2vWMFC
爆発までの時間設定が精密に出来るようになるニカ?
13名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 08:58:22.42 ID:jNT3uN0p
シミュレーションは1+1=2計算機だって事が分かってないバカが多すぎ

計算した結果しか出ない。データも式も人が入力をする
1+1=2これだって1を電子と例えシミュレーション成功したと言える
14名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 09:26:28.52 ID:dMSiGx1U
>>13
その例え、かなりイミフ
15名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 09:27:12.59 ID:dMSiGx1U
>>13
いや、この記事に対する意見なのか。
誰かのレスの反応なのかとか。
16名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 09:39:33.72 ID:wCVMHeK5
.
 つまりは、実用に達していない技術だってこと?
17名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 10:23:55.09 ID:NcAWp2Pt
いまごろ、なにをやってるの?
18名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 10:42:23.32 ID:22py2+vU
ていうか オレッちは 東芝SCIBの

釘が貫通しまくった写真とか

電池潰して内部短絡させて温度を測ってる動画をみて

「チタン酸リチウム負極で発火問題は解決した」と思っていたんだが

チタン酸リチウム負極でも液体電解質だと発火するのかい
そうなら それはどういう場合なんだ?

もしチタン酸リチウム負極なら発火しないなら
この研究は 火事が鎮火したあとやってきて
消火準備をはじめてる消防士みたいな 感じなんだが???
19名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 10:43:10.95 ID:22py2+vU
ていうか オレッちは 東芝SCIBの

釘が貫通しまくった写真とか

電池潰して内部短絡させて温度を測ってる動画をみて

「チタン酸リチウム負極で発火問題は解決した」と思っていたんだが

チタン酸リチウム負極でも液体電解質だと発火するのかい
そうなら それはどういう場合なんだ?

もしチタン酸リチウム負極なら発火しないなら
この研究は 「火事が鎮火したあとやってきて
消火準備をはじめてる消防士」みたいな 感じなんだが???
20名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 12:16:56.08 ID:ToTEfpb8
科学ニュースのスレ立ててる奴はネタが無いのか
21名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 13:35:30.25 ID:Rp/JRuGg
海水から取り出せる技術の実用化もそうだし、より安定より安価により高効率に
22名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 15:27:52.48 ID:ZeeodwK+
このシミュレーションには重大なデータ入力ミスがあるようなないような
23名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 20:10:57.17 ID:OmzA4DWa
全固体にして陽極陰極を分離すると、Liの移動に伴って各極の容積は
増減するから何処かでその変動を吸収しないといけない。

固体電解質の電導度は液体より劣るのが普通、しかも、割れたりしないよう
在る程度の強度が必要で、厚く成りがち。
24名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 20:27:53.61 ID:jVZDm4Wh
【電池】リチウムイオン電池の反応メカニズムを分析する設備が完成 -SPICA
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1347053294/
【話題/技術】フル充電で600km走行可能な自動車用蓄電池、開発本格化--世界初の専用装置が茨城に完成 [09/08]
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1347100834/

【エネルギー】作動中のリチウムイオン電池の電極の断面を世界で初めて観察 蓄電池の劣化原因解明へ 京大
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1351166943/
【電池】リチウムイオン電池の詳細な充放電メカニズムを解明 高速充放電可能な蓄電池の実現へ/京都大学など
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1366157376/
【工学】従来の10倍の容量を有する次世代蓄電池の反応機構を解明/ケンブリッジ大
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1392300865/

リチウムイオン電池の正極表面は斑模様だった
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2013/09/press20130920-04.html
25名無しのひみつ@転載は禁止:2014/07/07(月) 20:28:39.10 ID:jVZDm4Wh
【エネルギー】正極材に有機ポリマー使ったリチウム電池を開発/京大・パナソニック
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1353855874/
【エネルギー】負極材にリン使用してナトリウムイオン電池の容量を従来の2倍に/東京理科大
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1354631541/
【新型電池】「イオン液体リチウム2次電池」、宇宙で実証実験 世界初、関西大と京都企業
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1403526016/

【化学】東ソー、リチウムイオン電池の破裂・燃焼を防ぐ新素材開発--2014年度から販売 [02/23]
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1361584852/
2014/1/26
リチウムイオンの中核素材、発火リスク低く 三菱製紙
http://www.nikkei.com/article/DGXNASDD2600R_W4A120C1TJC000/

2013/08/01
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