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2011-5

無機固体電解質LISICONにおけるLiイオン伝導の第一原理計算


技術のポイント

Liイオン伝導体におけるLiイオンの空間分布とイオン伝導機構について、第一原理計算を用いて解析

基礎研究


背景
次世代高性能蓄電池の実現に向けて固体電解質のイオン伝導度向上が必要である。
LISICON(Li4-2xZnxGeO4(0≦x≦1))は高いイオン伝導性を有するが理論計算による研究報告はない。

目的
第一原理計算を用いてLISICONにおけるLiイオンの安定配置を決定する。更にNEB法によりLiイオン移動の活性化エネルギーを評価する。

成果
(1) Li4-2xZnxGeO4(0≦x≦1)に対しLiとZnの空間配置を変えて、全2982個の構造モデルに対する系統的な全エネルギー計算を実施。計算で得たx=0, 1組成の最安定構造は実験報告の構造と一致。
(2) 八面体位置のLiイオンが隣接する四面体位置へ移動し、その四面体位置のLiイオンがその先の八面体位置へ移動する協調的なジャンプ機構(準格子間機構に類似)が起こり得る。


手法: ・平面波基底Projector Augmented Wave法(VASPコード)
・NEB(nudged elastic band)法; いくつかのジャンプ中間状態を同時並行に計算して、
 最も活性化エネルギーが低くなるようなジャンプ経路を探索する手法

図1. 第一原理計算で得た組成Li4GeO4での体積と
エネルギーの関係。各点ではLiの配置が異なる。
図2. Liイオンジャンプにおけるエネルギー変化。
複数のイオンが協調的に移動するジャンプ機構は
活性化エネルギーが低い(図中赤矢印)



今後の展開
異なる結晶構造(多形)間、異なる構成元素間の比較を行い、結晶構造や構成元素がLiイオンの空間分布・伝導特性に与える影響を解析する
高性能固体電解質の開発に寄与

謝辞 この成果は、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)「次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発」の委託業務の結果得られたものである。



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