成果報告書詳細
管理番号20120000000412
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発 次世代技術開発 実験融合マルチレベルコンビナトリアル計算化学にもとづく次世代電池技術開発支援シミュレータの開発と応用
公開日2012/6/29
報告書年度2009 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約本研究で開発されるアプローチは、新しいコンピュータ化学手法に基づくものである。一般的にコンピュータ化学とは、量子力学、分子動力学、電気化学などの原理原則に基づいて、様々な現象を数値シミュレーションで解析する手法である。しかしながら、従来の蓄電池研究におけるコンピュータ化学の活用は、極めて限定されたものであった。例えば電子原子論的な検討は作用メカニズム解明では有用であったが、それは材料の特性を実験の後追いとして解析するものであり、将来の研究方針の決定に直接影響を与えることは稀であった。本研究では、従来のコンピュータ化学をさらに発展させた実験融合計算化学という新しいコンセプトに基づくシミュレータを開発し、実際の開発現場で役立ち、高効率な未来型研究開発を実現する新規な研究支援アプローチ手法を確立する。具体的には、下記に示す新しい研究手法支援ツールを開発した。1.電池材料の高速理論スクリーニング手法の開発:コンビナトリアル計算化学を利用して数百種の電池材料の性能を高速に理論スクリーニングできるシミュレータを作成した。コンビナトリアル計算化学とは、複数材料の性能スクリーニングをコンピュータ上で行う手法であり、実際に材料を合成する必要がないため極めて高速にスクリーニングをすることが可能である。実際のスクリーニングの作業においては、シミュレーションの前段階として、評価したい物性値の決定、必要な計算化学手法の選定、候補材料の初期データの作成、が必要とされる。本研究では、Liイオン電池の正極材料、リチウム空気電池正極の最適多孔質構造、を対象として、具体的なシミュレーションを実施することで、高速理論スクリーニングに必要なシミュレータの開発と、実験研究者が利用できる研究支援ツールとしての整備を行った。2.測定機器シミュレーションソフトウエアの開発:電池材料開発では、材料と電池性能の相関の解明に様々な機器分析が利用される。しかしながら、機器分析が適用できる条件は制限がある場合も多く、全てが正確に計測できるわけではない。したがって、限られた計測データをより深く理解するための理論に裏付けられたシミュレーションが必要である。またこれらのシミュレーションを行うことで、限られた実験からより多くの情報を得ることが可能になり、より効率よく開発実験を進めることが可能となる(我々はこのような手法を実験融合計算化学と呼んでいる)。そこで、X線回折、ラマン分光、EXAFS、走査型トンネル顕微鏡、中性子線回折、に関する計測シミュレータを開発した。3.新しい電池系の性能評価シミュレータの開発:マルチレベルシミュレーション(ミクロ情報からマクロ物性を予測するシミュレーション技術)に基づく新規な電池系のマクロ性能評価シミュレータを開発した。上記課題1.および2.は、電池材料の一部の評価、あるいは電子・分子レベルでのミクロな解析手法であり、実際の電池材料開発の主なアウトプット(I-V特性など)を直接与えるものではない。しかしながら、材料レベルの物性が評価できるので、それらの物性値から電気化学的な解析モデルを利用することで蓄電池の性能を評価することが可能である。そのためのシミュレータとして、具体的には、リチウム空気電池を対象とした開発を行った。上記3つの開発課題の完成後、その有効性を検証するために、実際に実験研究者と連携して新規電池材料の理論設計を行った。また、開発されたアプローチを実験研究者も使えるように整備も併せて行った。
英文要約The aim of this project is to make the codes for theoretical design and evaluation of new battery systems based on novel concept of experiment integrated computational chemistry and to apply the developed codes to interested secondary battery systems for its validation. Developed codes are consists of three specific codes as follows; 1. Development of code for theoretical high-speed screening of battery materials: The development of a simulator for theoretical high-speed screening to evaluate the performance of hundred of battery materials by using combinatorial computational chemistry was completed. The combinatorial computational chemistry means a screening method of performances of plural materials in silico and enables a very high-speed screening due to unnecessary syntheses of materials experimentally. For the actual theoretical screening, the decision of material value for evaluation, the selection of the method of computational chemistry and the construction of initial data for a candidate material are required before simulations. In the present research, the developed code was applied to cathode materials of Li-ion battery and optimal porous structure of cathode electrode of lithium-air battery, and then necessary simulators for theoretical high-speed screening were developed and prepared to be used as research support tools by experimental researchers. 2. Development of measurement simulators: Various instrumental analyses are used for elucidation of correlation between materials and performance of battery. However, there are some restrictions of application conditions and data accuracy of measurements in many cases, thus the theoretical simulations are needed for understanding of experimental data in greater depth. These simulations enable to provide more information from such limited experiments and to promote more efficient research on development (we are calling it the experimental integrated computational chemistry). In this project, X-ray diffraction pattern, Raman spectroscopy, EXAFS, scanning tunneling microscopy and Neutron diffraction pattern simulators were successfully developed. 3. Development of codes for evaluation of performance of new battery systems: Based on the multi-level simulation (evaluation method of macroscopic properties from microscopic information), macroscopic performance evaluation simulators were developed for applying to new battery systems. The evaluation of battery performance is possible by using electrochemical analysis models which include the material values of a small component among whole system evaluated by using microscopic simulators in electronic/molecular level. Specifically, a simulator of Li-air battery was developed. Finally, materials for new battery systems were designed theoretically in collaboration with experimental researchers for validation of the developed codes. Moreover, operation manuals etc. were prepared so that experimental researchers could also use the developed approaches.
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