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リチウムイオン電池の被膜形成メカニズム解明 性能向上に一歩前進

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リチウムイオン電池の被膜形成メカニズム解明 性能向上に一歩前進

富士フイルムは、物質・材料研究機構(NIMS)と共同で、電池の性能と安全性を向上させる材料開発につながる、電解液の還元・分解、及び電解液と電極の界面における被膜形成の化学反応メカニズムを分子レベルで解明することに成功した。これは、直接観察することが困難だったリチウムイオン電池内の化学反応に対する理解を増進するため、スーパーコンピューター「京」を用いて化学反応シミュレーションを行ったもの。

その結果、【1】充電時に電極から電子が移動しECとVCが還元・分解する過程、【2】ECとVCが反応して電極界面の被膜(SEI膜)の素材を形成する過程、【3】それらの過程で副産物ガス(CO、C2H4、CO2)が発生する仕組み、などを分子レベルで明らかにすることに成功。充電時に、電極から電子が移動することで、還元された電解液の分子と還元されていない添加剤の分子が反応して、SEI膜の素材を形成するという新しい化学反応メカニズムを解明した。

この化学反応メカニズムは、すでに実験で発生している副産物ガスを確認しており、【1】【2】の現象も無理なく説明できる。これによりリチウムイオン電池の電解液の分解、被膜形成の過程の理解を増進し、高機能なSEI膜の設計や開発を促進することができる。また、高精度な化学反応シミュレーションと「京」の組み合わせにより、コンピューターによる電解液や添加剤などの材料設計が、今後急速に進められることが期待される。

リチウムイオン電池は、近年、ハイブリッド車電気自動車スマートグリッドなどで用いる蓄電システムでの利用拡大が見込まれる中、従来よりもさらに高出力、長寿命、安全・信頼性向上が求められている。

リチウムイオン電池の性能と安全性の鍵となるのが、電池の重要な構成要素である電解液の還元・分解と、その分解物による電極界面の被膜(SEI膜)の形成だ。しかし、直接観察することが難しいことからこれらの反応の解明は進んでおらず、その反応の解明が強く望まれていた。このような中、同社は、一般のコンピューターでは難しかった高精度な化学反応シミュレーションを「京」を利用して短期間で実行した。

今回の研究では、化学結合変化を高精度に取り扱える「第一原理分子動力学法」と、液体中の化学反応を高精度に計算できる「自由エネルギー計算手法」を融合させた計算技術を「京」を用いて世界で初めてリチウムイオン電池に適用し、典型的な電解液材料である「エチレンカーボネート(EC)」と、添加剤としてよく用いられている「ビニレンカーボネート(VC)」を選択して、電解液内の化学反応の解明に取り組んだ。

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