大規模量子化学計算システムによる電極界面の固液複雑現象への萌芽的アプローチ

使用大规模量子化学计算系统探索电极界面复杂固液现象

• 批准号: 13875164
• 负责人: 宮本 明
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13875164/
• 关键词: 大規模; 量子化学; 電極界面; 固液複雑現象; 燃料電池; リチウム2次電池; エチレンカーボネート; LiCoO_2

21世紀における人類の最大の課題はエネルギー・環境問題の解決であり、そのためのキーテクノロジーとして、電池技術の重要性がクローズアップされており、太陽電池や燃料電池、各種2次電池が精力的に研究されている。電池性能の向上のためには、電極、電解質といった機能材料の開発とともに、電極/電解質界面の微視的解明と制御が重要である。研究代表者らは、従来の第一原理分子動力学法により数千倍以上の高速計算が可能で、液相などの大規模系にも適用できる高速化量子分子動力学計算プログラムの開発にすでに成功している。そこで本研究では上記手法などを活用し、様々な電極/電解質界面の複雑現象を分子論的に解明することを目的とした。まず、固体高分子型燃料電池に上記高速化量子分子動力学計算プログラムを応用し、グラファイト上のPt電極と電解質であるナフィオンの電子状態ダイナミックスの計算に成功した。従来の計算プログラムでは、このような大規模系のシュミレーションは全く不可能であり、開発したプログラムの有効性が実証された。さらに、リチウム2次電池に関しては、LiCoO_2などの正極材とエチレンカーボネートとLiPF_6から構成される電解液界面のダイナミックスについて検討した。その結果、エチレンカーボネートはLiCoO_2に酸素側から吸着する様子やLiCoO_2表面付近のLiが界面に向かって拡散するダイナミックスが、世界的にも初めて明らかとなった。また、同様の現象がプロピレンカーボネートやブチルラクトンを電解液として用いた場合にも観察された。

21世纪人类面临的最大挑战是解决能源和环境问题，为此，电池技术作为关键技术的重要性受到重视，太阳能电池、燃料电池和各种二次电池正在积极开发。研究过。为了提高电池性能，开发电极和电解质等功能材料以及电极/电解质界面的微观阐明和控制非常重要。研究人员已经在致力于开发一种高速量子分子动力学计算程序，该程序的计算速度比传统的第一原理分子动力学方法快数千倍，并且可以成功应用于液相等大规模系统。因此，本研究的目的是利用上述方法从分子角度阐明各种电极/电解质界面的复杂现象。首先，通过将上述高速量子分子动力学计算程序应用于聚合物电解质燃料电池，我们成功计算了石墨和电解质Nafion上的Pt电极的电子态动力学。使用常规计算程序完全不可能模拟如此大规模的系统，并且证明了所开发程序的有效性。此外，对于锂二次电池，我们研究了LiCoO_2等正极材料与由碳酸亚乙酯和LiPF_6组成的电解质之间的界面动力学。其结果是，我们在世界上首次阐明了碳酸乙烯酯如何从氧侧吸附到LiCoO_2上，以及LiCoO_2表面附近的Li向界面扩散的动力学。当使用碳酸亚丙酯或丁内酯作为电解质时也观察到类似的现象。

项目成果

S.Takami et al.: "The Fate of a Cluster Colliding onto a Substrate-Dissipation of Transnational Kinetic Energy of the Cluster"Journal of Nanoparticle Reseach. (印刷中).

S. Takami 等人：“团簇碰撞到基底上的命运 - 团簇跨国动能的耗散”纳米粒子研究杂志（正在出版）。