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2012-4

リチウムイオン固体電解質の第一原理分子動力学計算


技術のポイント

固体電解質におけるLiイオンの拡散係数の定量評価、および、伝導機構解明に成功

基礎研究


背景
次世代高性能蓄電池の実現に向け、固体電解質のイオン伝導度向上が期待されている。LISICON(Li2+2xZn1-xGeO4(0≦x≦1))系固体電解質はこれまで多くの研究があるが、イオン伝導機構は不明な点が多い。

目的
第一原理分子動力学法(FPMD)を用いたイオン移動現象のシミュレーション結果からLiのイオン伝導性を評価する。

成果
(1) Liイオンの拡散係数を定量的に評価。実験値を再現できた。
(2) Liイオンは[GeO4]と稜を共有する八面体位置を経由しながら、複数のLiイオンが協調的に移動する機構で拡散する。
イオン伝導度およびイオン伝導機構の評価技術開発に成功


・手法: ・平面波基底PAW法に基づく第一原理分子動力学計算(VASPコード)
・NVTアンサンブル(粒子数、体積、温度一定)、136原子で構成されるスーパーセル
・評価特性: 拡散係数Dは、イオンの平均二乗変位から右式で算出される

図. FPMD解析結果 (a) Liイオンの拡散係数。LGPSはLi3+xGexP1-xS4、LZGOはLi2+2xZn1-xGeO4を表す。
(b) Li3Zn0.5GeO4のユニットセル。4c,4bは[GeO4]と稜を共有する八面体位置。
(c) Liイオンの拡散経路(T=1200 K)。
  [1] R. Kanno and M. Murayama, J. Electrochem. Soc. 148, A742 (2001).
[2] H. Y-P. Hong, Mat. Res. Bull. 13, 117 (1978).



今後の展開
異なる結晶構造や構成元素をもつ
Liイオン固体電解質への展開
高性能固体電解質の開発に寄与

謝辞 本研究は、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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