Development of reactive force-field and molecular dynamics simulation of electrode-electrolyte interfaces

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本研究では，全固体電池の性能を左右する電極・電解質界面におけるミクロな反応機構を明らかにするため，分子動力学シミュレーション（MD）の中で化学反応を再現可能な原子間力場を効率的に構築する手法およびプログラムを開発する．開発した手法を用いてLi金属とNASICON型固体電解質の界面のシミュレーションを可能とする力場を構築し，電極・電解質 界面のMDシミュレーションを行い，ナノスケールの観点から界面構造変化やイオン伝導機構をより深く理解できる方法論を確立することを目的とする．前年までに開発した電荷可変型クーロンポテンシャルと環境依存型のMEAMポテンシャルのプログラムに加え，パラメータ最適化プログラムを汎用化し，MDプログラムで計算可能なあらゆる物理量に対してパラメータを最適化することを可能にし，独立したプログラムとして公開した．近年注目を集めているLi/LLZO系を対象とし，二体・三体分布関数や形成エンタルピーに対してポテンシャルパラメータを最適化し，Li/LLZO系ポテンシャルを構築し，現在ポテンシャルの精度検証を行っている．一方，化学反応を伴う種々の電極・電解質界面系に適応可能なことを検証するため，Li/LiF系界面のポテンシャル構築も行った．LiFは電子伝導・イオン伝導ともに低い材料だが，Li金属のデンドライト形成を抑制するためのコート材として有望視されている材料であり，Li/LiF界面がどのような構造になっていてイオン伝導性が発現するか調べる必要がある．Li/LiF系に関しても，各組成・構造における二体・三体分布関数と多くの組成におけるエンタルピー差を教師データとしてパラメータ最適化を行い，ポテンシャル構築を行った．界面における電荷分布を再現することを確認し，いくつかの界面モデルにおける構造の再現性などの検証を行い，ポテンシャルの精度検証を行った．