ページの先頭です
ページ内移動用のリンクです
サイト内共通メニューへ移動します
本文へ移動します


ここからサイト内共通メニューです
サイト内共通メニューをスキップしてサイトの現在地表示へ移動します

サイトの現在地を表示します
サイトの現在地表示をスキップして本文へ移動します


ニュースリリース

Share |
 

スーパーコンピューター「京」を用いて
リチウムイオン電池の電解液の反応過程を解明

リチウムイオン電池の性能と安全性のさらなる向上に貢献する画期的な研究成果

2013年8月1日

富士フイルム株式会社

富士フイルム株式会社(社長:中嶋 成博)は、独立行政法人 物質・材料研究機構(NIMS)と共同で、直接観察することが困難であったリチウムイオン電池(*1)内の化学反応に対する理解を増進するために、スーパーコンピューター「京」(*2)を用いて化学反応シミュレーションを行いました。その結果、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(*3)の還元(*4)・分解およ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ました。

現在、リチウムイオン電池は、パソコンやスマートフォン、デジタルカメラなど幅広い用途で使用されています。近年では、ハイブリッド・電気自動車や飛行機、スマートグリッドなどで用いる蓄電システムに大型のリチウムイオン電池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ます。

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(Solid Electrolyte Interphase、以下SEI膜) (*5)の形成です。SEI膜の機能は、微量の添加剤を加えることで著しく改善することがすでに知られていますが、その形成に関わる化学反応は、直接観察することが困難であることからこれらの反応の解明は進んでおらず、高い性能・安全性を持つリチウムイオン電池の材料開発のために、その反応の解明が強く望まれていました。このような中、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ました。

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」(*6)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」(*7)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)(*8)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)(*9)を選択して、電解液内の化学反応の解明に取り組みました。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ました。

[図] 本研究で明らかになった化学反応

本シミュレーションにより解明された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((3))を確認しており、(1)(2)の現象も無理なく説明できます。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ます。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ます。

富士フイルムは、今後、本研究を通じて構築した、大規模・高精度な化学反応シミュレーション技術を、添加剤などの材料開発に適用し、リチウムイオン電池業界の発展に貢献していきます。

なお、本研究成果は、平成25年8月1日(米国東部時間)に米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版で公開されます。

[図] リチウムイオン電池の構造図/リチウムイオン電池の動作原理

*1 二次電池の一種。正極と負極の間をリチウムイオンが移動することにより充放電が行われる。

*2 1秒間に1京回の演算が可能な我が国最速のスーパーコンピューター。

*3 リチウムイオン電池の正極と負極の間に挿入される溶液で電気的な絶縁性とリチウムイオンの伝導を担う。

*4 原子や分子が電子を受け取る反応。

*5 リチウムイオン電池の電極上にでき、電解液が分解することで形成される被膜。電解液の余剰分解を制御するための低い電気伝導性と高出力に向けたリチウムイオン高伝導性、そして繰り返し充放電に対する安定性などが求められている。

*6 経験パラメータを利用しない量子力学方程式に基づいた原子間力を用いた分子動力学計算。実験に依らない高精度計算手法として近年広く利用されている。

*7 動的な化学反応の活性化自由エネルギー、反応自由エネルギー、反応経路を高精度に求めることのできる計算手法。

*8 リチウムイオン電池の電解液溶媒として広く利用されている有機分子。C3H4O3

*9 リチウムイオン電池内で、より高機能なSEIを形成する添加剤として広く利用されている有機分子。C3H2O3

本件に関するお問い合わせは、下記にお願いいたします。

  • 本研究に関するお問い合わせ R&D統括本部 解析技術センター
  • TEL 0465-73-7080
  • 報道関係 コーポレートコミュニケーション部
  • TEL 03-6271-2000
Share |

最新のニュースリリース

記事の内容は発表時のものです。最新情報と異なる場合(生産・販売の終了、仕様・価格の変更、組織・連絡先変更等)がありますのでご了承ください。

富士フイルム広報 公式アカウント twitter

記事の内容は発表時のものです。最新情報と異なる場合(生産・販売の終了、仕様・価格の変更、組織・連絡先変更等)がありますのでご了承ください。

富士フイルム広報 公式アカウント twitter

ニュースリリース検索


ここからフッターです

ページの終わりです
ページの先頭へ戻る