Search for New Next Generation Cathode Materials for Magnesium Secondary Batteries using First-Principle Calculation

使用第一原理计算寻找新的下一代镁二次电池正极材料

• 批准号: 20K15382
• 负责人: 石橋 千晶
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K15382/
• 关键词: マグネシウム二次電池正極材料; 第一原理計算; 電気化学; 理論化学; 分子動力学計算

近年、温室効果ガスを排出しない蓄電池の需要が増加している。現在広く使われているLiイオン電池の材料であるLi金属よりも資源が潤沢にあるMg金属は2価のカチオンであるため蓄電池材料として高い体積エネルギー密度が期待される。そこで、当研究では、スピネル型MgM2O4(M=Co,Ni,Mn,Vなど)に対して静的な理論計算による新規マグネシウム二次電池正極材料の設計を行い、かつ設計した材料に対して動的な分子シミュレーションを行い、温度を考慮した条件下で、充放電過程における詳細なMgイオンの伝導経路メカニズムおよびイオン挿入量を解明することである本研究では、マグネシウム二次電池正極材料に対して混合原子価をもつ様々な遷移金属を置換した系に対して第一原理計算を適用し構造安定性を明らかにし、更に分子シミュレーションを行い温度条件下におけるMgの拡散係数を求めMgイオンの挿入・脱離の挙動を調べることを目的する。これまで遷移金属種を置換種として考慮していたが、当該年度では、前年度に引き続きAlを置換種に含めたスピネル型MgCo0.5-xMnNi0.5AlxO4(x=0, 0.3)の充放電前、放電時の安定構造と電子状態を明らかにした。置換種であるAlがMgの拡散やホスト構造に及ぼす影響を明らかにした。その結果、Alを置換したx=0.3ではAl付近の金属と酸素間の結合を弱める効果があるため、Mgの拡散を促進し充放電容量が増加することを本研究にて予測した。実際、共同研究者がMgCo0.2MnNi0.5Al0.3O4を合成し充放電試験を行ったところ、MgCo0.5MnNi0.5O4よりも高い放電容量を示したことを報告した。第一原理計算を用いた固溶体スピネルaMgCo1.5Mn0.5O4-(1-a)Mg1.33V1.57Ni0.1O4の充放電過程におけるMg拡散のメカニズムの研究に現在も着手している。

In recent years, greenhouse efficiency has led to the discharge of ガスを な and ガスを batteries, which requires が and an increase in <s:1> and る. Now hiroo く make わ れ て い る Li イ オ ン の battery materials で あ る Li metal よ り も resources が embellish ohsawa に あ る は 2 Mg metal 価 の カ チ オ ン で あ る た め battery materials と し て high volume エ い ネ ル ギ ー density が expect さ れ る. そ こ で, when the で は, ス ピ ネ MgM2O4 ル type (M = Co, Ni, Mn, V な ど) に し seaborne て に theoretical calculation of the static な よ る new rules マ グ ネ シ ウ ム secondary battery cathode material の design を い, か つ design し た material に し seaborne て moving な molecular シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を い, temperature を consider し た で, under the condition of charging and discharging process に お け る detailed な Mg イ オ ン の 伝 guide 経 road メ カ ニ ズ ム お よ び イ オ ン scions intake を interpret す る こ と で あ る this study で は, マ グ ネ シ ウ ム secondary battery cathode material に し seaborne て hybrid atomic 価 を も つ others 々 な migration metal を replacement し た department に し seaborne て first principles calculation を applicable し tectonic stability を Ming ら か に し, more に molecular シ ミ ュ レ Line ー シ ョ ン を い temperature に お け る Mg の company, dispersion coefficient め を o Mg イ オ ン の scions into, from の 挙 motion を べ る こ と を purpose す る. こ れ ま で を replacement species migration metal と し て consider し て い た が, when the annual で は, before the annual に き 続 き Al を replacement species に including め た ス ピ ネ ル type MgCo0.5 - xMnNi0.5 AlxO4 (x = 0, 0.3) の before charging and discharging, discharging の stable tectonic と electronic state を Ming ら か に し た. Replacement of で あ る Al が Mg の company, scattered や ホ ス ト に and ぼ す influence を Ming ら か に し た. そ の results, Al を replacement し た x = 0.3 で は Al の between paying nearly の と acid metal element combined with weak を め る unseen fruit が あ る た め, Mg の scattered を promote し company, charge and discharge capacity が raised plus す る こ と を this study に て in measuring し た. Be international and common researchers が MgCo0.2 MnNi0.5 Al0.3 を synthetic m1 し charge-discharge test line を っ た と こ ろ, MgCo0.5 MnNi0.5 よ m1 り も い high discharge capacity を shown し た こ と を report し た. First principles calculation を with い た solid solution ス ピ ネ ル aMgCo1.5 Mn0.5 - (1 - a) m1 Mg1.33 V1.57 Ni0.1 の m1 charging and discharging process に お け る Mg company, scattered の メ カ ニ ズ ム の research に も now set about し て い る.

项目成果

スピネル型(Mg,Zn)(Co,Fe,Mn)2O4の正極特性と量子ビームを用いた平均・局所構造解析

尖晶石型 (Mg,Zn)(Co,Fe,Mn)2O4 的正极特性以及使用量子束的平均/局部结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 馬 馼力;北村 尚斗;石橋 千晶;井手本 康
• 通讯作者: 井手本 康

Li1.3(Nb,Fe,Ni,Ta)0.7O2の正極特性と量子ビームを用いた平均・局所・電子構造解析

Li1.3(Nb,Fe,Ni,Ta)0.7O2 正极性能及量子束平均/局部/电子结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 内田 誉晃;北村 尚斗;石橋 千晶;井手本 康
• 通讯作者: 井手本 康

スピネル型MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4 系酸化物の第一原理計算を用いた安定構造および電子構造解析

使用尖晶石型 MgCo2-x-y-zNixMnyAlzO4 基氧化物的第一原理计算进行稳定结构和电子结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 石橋 千晶;竹内 稜;北村 尚斗;井手本 康
• 通讯作者: 井手本 康

Liイオン電池正極材料0.5Li2MnO3-0.5Li(Mn10/24Ni7/24Co7/24)O2の定常状態における平均・電子・局所構造の温度依存性の検討

锂离子电池正极材料0.5Li2MnO3-0.5Li(Mn10/24Ni7/24Co7/24)O2稳态平均结构、电子结构和局域结构的温度依赖性研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 井手本 康;伊藤 弘志;石橋 千晶;北村 尚斗
• 通讯作者: 北村 尚斗

Mg二次電池正極材料Mg1.33-y(V1.67-x+yMnx)O4の電池特性と量子ビームを用いた平均・局所・電子構造解析の組成依存

镁二次电池正极材料Mg1.33-y(V1.67-x+yMnx)O4的电池特性以及使用量子束进行平均、局部和电子结构分析的成分依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: 髙松 実奈;石橋 千晶;石田 直哉;北村 尚斗;井手本 康
• 通讯作者: 井手本 康