スパコンが見出した「全固体電池」の最大の課題を克服するヒント

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課題山積み

蓄電池の代表格であるリチウムイオン電池は、社会のスマート化に大きく寄与してきた。しかしカーボンニュートラル(温室効果ガス排出量実質ゼロ)の実現には、エネルギー密度や安全性、コストなどの課題がまだ山積している。産学官で精力的な研究開発が行われ、国際的な開発競争も激化しているが、蓄電池内で起こっている電子・イオンの振る舞いについてはまだ不明な点が多く、試行錯誤のアプローチが続いている。この状況を打破するには、蓄電池材料内の現象理解に基づいた設計が必要だ。

新描像提案

我々は電子・イオン挙動に関して予言性の高い、量子力学に基づく第一原理計算を用いて、この現象解明に取り組んできた。しかし蓄電池内の複雑な現象に対する第一原理計算は計算コストが非常に高く、通常のスーパーコンピューターでは取り扱いが難しい。そこで、我々は世界一の実績を持つスーパーコンピューター「京」「富岳」を最大限に活用可能な計算プログラムを構築し、さまざまな課題に関するメカニズムを明らかにしてきた。

蓄電池の安全性に大きな影響を及ぼす、負極と電解液の界面に形成されるSEI膜については、膜の形成メカニズムやリチウムイオンのダイナミクス(イオンの流れ)を「京」を用いて計算した。その結果、従来の理論とは異なるメカニズムが明らかになった。また、次世代蓄電池の電解液として有望な濃厚電解液の安定性については陰イオンが分解することで良質の膜につながることが示唆された。これも従来理論の予測とは異なる結果だ。

さらに実現性の高い次世代蓄電池として注目される全固体電池については、その最大の課題を克服するヒントが得られた。界面原子構造探索手法を新たに開発し、電極と固体電解質の界面におけるイオン伝導の抵抗増加について原因メカニズムと、それを避けるためのコート層の役割を理論的に明らかにした。このように、第一原理計算と「京」の組み合わせによる研究は、世界的に見ても先駆的で、さまざまな新しい描像の提案につながっている。

競争力強化

現在、物質・材料研究機構(NIMS)は文部科学省プログラム「富岳電池課題」の代表機関として「富岳」を利用し、さらなる高度計算による蓄電池材料の微視的メカニズムの解明を進め、新材料・新界面設計まで踏み込んだ研究を行っている。一方では産学官の計算研究連携の促進や、大量生成する計算データのデータベース化などにも注力している。今後も日本の蓄電池技術の競争力強化に貢献していきたい。


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文=物質・材料研究機構(NIMS)エネルギー・環境材料研究拠点 副拠点長 館山佳尚。1998年東京大学大学院博士課程(物理学専攻)修了、博士(理学)。同年金属材料技術研究所(現NIMS)入所。2021年から現職。現在、京都大学・早稲田大学・東京工業大学の客員教授として若手育成にも従事。

日刊工業新聞2021年9月27日

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