[事例]バッテリー開発:グラファイトアノード上のLiイオン拡散エネルギープロファイル

昨今では、生活へ欠かせない高機能バッテリーが新規材料開発のホットスポットであり、 そしてこの分野の新規材料開発は、さらなる高機能、安定性、コンパクトさを必要としています。 その要望には、バッテリーはマクロなイオン拡散からミクロな電気的特性まで、幅広いスケールの調査と解析が必要です。
この特集では、Materials Studioを研究に活用しているバッテリーをテーマにした論文の紹介や計算の再現をしております。

Liイオン電池で使用されているアノードの一種としてグラファイトがあり、 この材料は幅広く使われているアノードであるとともに最大リチウム理論容量を増やすための改質対象ともなっています。 その改質されたグラファイトの一つとしてホーリー構造のグラフェンがあり、これはグラファイトに穴をあけることでイオン貯蔵のための広いスペースを確保する改質法です。
本論文では、ホーリーグラファイト内におけるイオンの拡散エネルギーをプロファイルすることで、ホーリー構造の効果に対しての議論をMaterials Studioを用いて行っております。

イオンの拡散エネルギーをプロファイルするには、移動したイオンごとにエネルギーを求め、反応座標をとることで解析可能です。
そこで、ホーリー構造処理が行われていないグラフェンIGA、ホーリー構造処理を行ったグラフェンHGAに対してプロファイルを行いました。 このプロファイルをIGAやHGAの構造か、イオンの移動が同一平面かそうでないかに対して行うことで、ホーリー構造処理の効果を解析しております。
こちらの論文内では、量子力学計算に幅広い計算対象を取ることが出来るCASTEPモジュールを使用しております。

上にアノードにおけるLiイオンの移動経路と反応座標におけるエネルギープロットを示しました。
このプロファイルの特徴としては、Liイオンの移動が同一平面状である場合そうでない場合のどちらにおいても ホーリー構造処理を施すことで拡散経路のエネルギー障壁が小さくなっていることが挙げられます。
したがって、LiイオンはIGAよりはるかに容易にHGAの穴を横切って拡散され、 おそらくLiイオン電池の充放電プロセスを促進することが出来ると推測されます。