Construction of design optimization method of microscopic and macroscopic structures in all-solid-state lithium-ion batteries

固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は，高エネルギ密度，高出力密度，長寿命でかつ，発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている．本研究では，バルク型全固体電池を対象に，トポロジー最適化に基づき，高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する．すなわち，全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら，マクロ構造の最適化として，全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する．本年度は，電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討を行った．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進めた．さらに，簡単な数値計算により，解析方法の妥当性を検証した．また，電池の充放電を模擬する計算が可能となり，電池中の各種パラメータが充放電特性や内部物理量分布に及ぼす影響を調べた．特に，活物質中のリチウム輸送の良し悪しによって電極中のリチウムの輸送経路や反応分布が大きく変化し，その結果充放電容量にも影響を及ぼすことが明らかになった．また，活物質中のリチウム輸送の異方性を考慮できる輸送モデルの開発を行い，異方性が性能に及ぼす影響を明らかにした．

固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池は，高エネルギ密度，高出力密度，長寿命でかつ，発火性などの安全性の問題を解決できる二次電池として有望視されている．本研究では，バルク型全固体電池を対象に，トポロジー最適化に基づき，高性能な材料構成・形態・形状設計案を導出可能な方法論を構築する．すなわち，全固体電池の性能を決定づける活物質相と電解質相から構成されるコンポジットアノード・カソードのミクロ構造の最適な構成および形態・形状案を導出しながら，マクロ構造の最適化として，全固体電池の電解質相とコンポジットアノード・カソードの境界の形態・形状案を導出可能な方法論を構築する．本年度は，電荷や熱の輸送を記述する支配方程式と電気化学反応の支配方程式の連成関係を明確化し，その連成関係を記述できる数理モデルの構築の検討を行った．すなわち，電子およびリチウムイオンさらには熱の輸送を拡散方程式として記述し，その式と電気化学反応のモデルと連成した数理モデルを構築する検討を進めた．さらに，簡単な数値計算により，解析方法の妥当性を検証した．また，電池の充放電を模擬する計算が可能となり，電池中の各種パラメータが充放電特性や内部物理量分布に及ぼす影響を調べた．特に，活物質中のリチウム輸送の良し悪しによって電極中のリチウムの輸送経路や反応分布が大きく変化し，その結果充放電容量にも影響を及ぼすことが明らかになった．また，活物質中のリチウム輸送の異方性を考慮できる輸送モデルの開発を行い，異方性が性能に及ぼす影響を明らかにした．