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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

基本信息

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

项目摘要

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。

Zn secondary battery electrodes are subject to smooth precipitation during charging (= abnormal precipitation) and poor battery performance. In this study, the formation mechanism of abnormal precipitation in Zn electrode was studied, and the design guidelines for its suppression were pointed out. The analysis of Zn precipitation speciation formation process and electrochemistry measurement are carried out in the following ways: combination of atomic and molecular forms; analysis of Zn precipitation speciation process. The first principles calculation results in the analysis of electron states on the basis of surface adsorption, the interaction between surface adsorption species, and the precipitation growth of Zn during electrodeposition. Analysis of the effect of additive on the inhibition of abnormal precipitation, analysis of the effect of additive on the surface morphology, analysis of additive on the effect of additive on the surface morphology, In this paper, we study the effect of Pb addition on Zn columnar precipitation. This phenomenon occurs when Pb and Zn electrodes are used. It is expected that abnormal precipitation will occur when Pb and Zn electrodes are used. In this study, the analysis of Zn electrodeposition was carried out when Pb was added, and the analysis of Zn electrodeposition was carried out when Pb was added. As a result, Zn columnar precipitation characteristic of Zn electrodeposition and Pb addition is characterized by three-dimensional crystalline structure. This is the first time that a column of Pb has been deposited. The results show that when Zn atoms are deposited in the Pb layer, the first principles calculation is carried out. The results of this study were reported in 1 report and 3 reports were learned.