Lithium-Ion Transport Mechanism in Carbon Nanotubes: A Central Role of Flexible Quantum States

碳纳米管中的锂离子传输机制：柔性量子态的核心作用

基本信息

批准号：
22K05046
负责人：
安東秀峰
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Yamagata University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究課題では，チューブ径は似通うが幾何学的構造と導電性の異なる金属型及び半導体型カーボンナノチューブ（CNT）に注目し，細孔構造と電子状態の違いがチューブ内のリチウムイオン伝導に与える影響の理論的解明を目指している．本年度は金属型及び半導体型CNTのスーパーセル・モデルを構築し，周期境界条件を課した密度汎関数計算を実施した．同様の密度汎関数計算を多数実施することで，独自開発した理論プログラムを次年度に適用し，リチウムイオンの量子力学的運動（核波動関数）を明らかにできる．現在，CNTの対称性（空間群）を正確に反映したスーパーセル・モデルの構築に取り組んでいる．また，独自開発した理論プログラムの妥当性を検証するため，CNTの類似体であるフラーレンに着目した．フラーレン骨格中に束縛された内包リチウムイオンについて細孔内ポテンシャルや分子間相互作用，核波動関数を計算し，それらの関連を精緻に明らかにした．加えて，内包リチウムイオンの細孔内運動を反映する物理量としてテラヘルツ域吸収スペクトルを計算し，実験結果をよく再現できた．この研究成果は英国王立化学会が発行するPhysical Chemistry Chemical Physics誌に掲載され，2023年の注目論文（PCCP HOT Article）にも選出された．リチウム内包フラーレンの計算を通して本研究課題の理論的アプローチの有用性に確かな手応えを得た．今後，CNTに同様の理論的アプローチを適用する予定である．

在这个研究项目中，我们专注于金属和半导体碳纳米管（CNT），它们具有相似的管直径，但几何结构和电导率不同，并发现孔结构和电子状态的差异影响管内的锂离子传导。从理论上阐明了影响今年，我们构建了金属和半导体碳纳米管的超级细胞模型，并在周期性边界条件下进行了密度泛函计算。通过进行许多类似的密度泛函计算，我们将能够在明年应用我们独立开发的理论程序来阐明锂离子的量子力学运动（核波函数）。我们目前正在致力于建立一个准确反映碳纳米管对称性（空间群）的超晶胞模型。此外，为了验证自主开发的理论程序的有效性，我们重点研究了碳纳米管的类似物富勒烯。我们计算了富勒烯骨架中束缚的封装锂离子的孔势、分子间相互作用和核波函数，并详细阐明了它们之间的关系。此外，我们计算了太赫兹区域吸收光谱作为反映孔隙中封装的锂离子运动的物理量，并且能够很好地再现实验结果。该研究成果发表在英国皇家化学学会出版的《物理化学化学物理》杂志上，同时还入选2023年热门文章（PCCP HOT Article）。通过对锂内嵌富勒烯的计算，我们对该研究课题的理论方法的实用性有了深刻的印象。未来，我们计划将类似的理论方法应用于碳纳米管。