負極界面における亜鉛結晶成長機構のマルチスケールシミュレーション及び実験的解析

负极界面锌晶体生长机理的多尺度模拟与实验分析

• 批准号: 20J23239
• 负责人: 女部田 勇介
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23239/
• 关键词: Zn負極; Zn電解析出; 第一原理計算; Kinetic Monte Carlo法; kinetic Monte Carlo法

Ｚｎ二次電池負極においては充電中に発生する平滑でない析出（＝異常析出）による電池性能の低下が課題となっている。本研究ではこのＺｎ負極における異常析出の形成機構を明らかにし、その抑制に向けた設計指針の策定を目指している。Ｚｎ析出形態形成過程を解析するため、マルチスケールシミュレーション及び電気化学測定等の実験を組み合わせることで原子・分子レベルからナノスケールまでの解析を行ってきている。また、マルチスケールシミュレーションのうち、第一原理計算によって得られた結果を基に電子状態の解析を進めることで、さらに表面や吸着種の間の相互作用の観点からもＺｎ電析時の析出成長について検討している。異常析出の抑制に向けては、表面形態に対して影響を与える添加剤の効果を解析し、その作用機構を理解することが、有用な添加剤の設計指針となりうる。従来研究より、Ｚｎ電析へのＰｂ添加時には、マイクロオーダーの一様なＺｎ柱状析出が現れることが示唆されている。このような知見からＰｂは、Ｚｎ負極を用いた際に発生する異常析出を制御する添加剤の一つとして期待されている。本研究ではＰｂ添加時におけるＺｎ電析実験を行い、さらにシミュレーションも行うことで、Ｐｂ添加時におけるＺｎ電析挙動の解析を進めている。この結果として、Ｚｎ電析へのＰｂ添加時の特徴的なＺｎ柱状析出についてその三次元的な結晶構造が明らかになった。また、このZn柱状析出はＰｂによって被覆されていることが示唆された。現在この結果を基に、析出Ｚｎ原子のＰｂ被覆時における挙動に対する第一原理計算による解析を進めており、析出Ｚｎ原子のＰｂ層内への取り込み挙動が明らかになりつつある。ここまでの結果を報文１報、学会３件として発表している。

在Zn二级电池的负电极中，问题是由于充电过程中发生的不平滑沉积（=异常沉积），电池性能降解。这项研究旨在阐明在该锌负电极中形成异常降水的机理，并制定抑制它的设计指南。为了分析Zn降水形态发生过程，通过结合诸如多尺度模拟和电化学测量等实验，从原子和分子水平到纳米级进行了分析。此外，在多尺度模拟中，通过基于第一原理计算获得的结果分析电子状态，也从表面与吸附物种之间的相互作用的角度研究了Zn沉积过程中的沉积生长。为了抑制异常的降水，分析影响表面形态的添加剂的效果及其理解其作用机理可以是设计添加剂的有用指南。先前的研究表明，当将Pb添加到Zn电沉积中时，会发生微阶均匀的Zn柱状沉淀。基于这些发现，PB有望是控制使用Zn负电极时发生异常降水的添加剂之一。在这项研究中，添加PB时进行Zn沉积实验，并在添加PB时也进行仿真来分析Zn沉积行为。结果，已阐明了在Zn沉积中加入Pb时特征Zn柱状沉淀的三维晶体结构。还建议该Zn柱状沉淀被PB覆盖。基于这些结果，我们目前正在使用第一原理对PB涂层期间沉淀的锌原子的行为进行分析，并且PB层中沉淀的锌原子的行为变得越来越清楚。到目前为止，结果已发表在一份报告和三个学术会议上。

项目成果

Multiscale Simulation for Effects of the Li+ Addition at the Initial Stage of Zn Electrodeposition Processes

锌电沉积过程初始阶段锂添加影响的多尺度模拟

• 发表时间: 2020
• 作者: Y. Onabuta;S. Wang;M. Kunimoto;H. Nakai;T. Homma
• 通讯作者: T. Homma

Multiscale Simulation for the Initial Stage of the Zn Electrodeposition with Kinetic Monte Carlo Based on First-Principle Calculation

基于第一性原理计算的锌电沉积初始阶段动力学蒙特卡罗多尺度模拟

• 发表时间: 2020
• 作者: Y. Onabuta;K. Onuki;S. Wang;M. Kunimoto;H. Nakai;T. Homma
• 通讯作者: T. Homma

Zn電析過程における Zn原子の表面拡散挙動と電子状態の解析

Zn沉积过程中Zn原子的表面扩散行为和电子态分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Tenjimbayashi Mizuki;Fujii Syuji;王松毅，女部田勇介，國本雅宏，中井浩巳，本間敬之
• 通讯作者: 王松毅，女部田勇介，國本雅宏，中井浩巳，本間敬之

University of Virginia(米国)

弗吉尼亚大学（美国）

Multiscale Simulation of Irregular Shape Evolution during the Initial Stage of Zn Electrodeposition on a Negative Electrode Surface

负极表面锌电沉积初始阶段不规则形状演化的多尺度模拟

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c09569
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: Onabuta Yusuke;Kunimoto Masahiro;Wang Songyi;Fukunaka Yasuhiro;Nakai Hiromi;Homma Takayuki
• 通讯作者: Homma Takayuki