ダイレクトダイナミックス法によるダイアモンド、グラファイト中の化学種の拡散機構

使用直接动力学方法研究化学物质在金刚石和石墨中的扩散机制

• 批准号: 14540460
• 负责人: 清水 晃
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14540460/
• 关键词: 分子動力学; 炭素クラスター; ナノ材料開発; リチウムバッテリー; 拡散ダイナミックス; 機能設計

ガラス質カーボン繊維およびアモルファスカーボンは、リチウム2次電池の陰極として極めて効率の良い材料の一つであり、その化学的修飾により、さらなる高機能化が可能な物質として期待されている。しかしながら、カーボンシート上でのリチウムの電子状態および拡散メカニズムが不明であるため、新規な機能を有するカーボン材料の開発は試行錯誤的要素が強い。本研究では、ダイレクト・ダイナミックス法により、ガラス質炭素のカーボンシート上のリチウムの電子状態を理論的に明らかにし、さらに量子動力学計算にもとずき、拡散のメカニズムを解明した。また、新規な性能を持つグラファイトを分子設計した。ダイレクト・ダイナミックス計算は、水素終端した炭素数50個あるいは150個からなるクラスターモデルを用いて、半経験MO(AM1)レベルにて計算した。構造最適化により、リチウムイオン(Li^+)および原子(Li)はともにクラスターモデルの周辺部で安定化することを明らかにした。各原子の電荷の検討結果と合わせると、Li^+イオンは、カーボンシートの周辺のエッジ部分(side edge)とカーボンシートの周辺の角のエッジ部分(corner edge)の両方の炭素とイオン結合をするが、Li原子はside edgeの炭素とsp^3混成軌道により共有結合的に強く結合することを明らかにした。カーボンシート上でのリチウムイオンおよび原子の拡散メカニズムを明らかにするため、ダイレクト・ダイナミックス法により、拡散ダイナミックスを計算した。その結果、リチウムイオンと原子は、まったく異なる動的挙動をとることが明らかになった。Li^+は解離して拡散によりクラスターのバルクを横切り、その後、クラスターから脱出する。拡散経路は最高被占軌道(HOMO)の節に沿って起こる。一方、リチウム原子は、共有結合を保ったまま、side edgeの炭素の周囲を振動するのみであり、700K以下では脱出は起こらないことを明らかにした。また、カーボンシート上にアルミニウムをドープすることにより、拡散速度が、8-10倍に加速する減少を発見し、新規なカーボン材料を理論設計した。

ガラス性カーボン繊dimensional およびアモルファスカーボンは, リチウム secondary battery のcathode としてpole めてefficiency の好いMaterial の一つであり、そのChemical modification により、さらなるHigh functionality is possible なmaterial としてLook forward to されている.しかしながら、カーボンシート上でのリチウムのelectronic state および拡sanメカニズムがUnknown features, new rules and functions, and the use of new materials and trial-and-error elements are strong. This study is based on the method of using the では、ダイレクト・ダイナミックス法により、ガラス色carbonsuのカーボンシート上のリチウムのThe theory of electronic state is explained by the theory of electron state, the calculation of quantum dynamics is explained, and the explanation of the electron state theory is explained.また、New regulations and performance つグラファイトをMolecular design した.ダイレクト・ダイナミックスcalculationは、hydrogen terminal carbon number 50 pieces and 150 piecesからなるクラスターモデルを Use いて, 半経験MO(AM1)レベルにて to calculate した. Structure optimization of により, リチウムイオン(Li^+)および atom(Li)はともにクラスターモデルの九辺部で stabilization することを明らかにした. The results of the charge analysis of each atom are as follows: edge) とカーボンシートのweek 辺のcorner part (corner edge) の両square のcarbon とイオン combined をするが、Li atom はside edgeのcarbonとsp^3 hybrid orbitalによりshares the combined にstrongくcombinationすることを明らかにした.カーボンシート上でのリチウムイオンおよびatomicの拡sanメカニズムを明らかにするため、ダイレクト・ダイナミックス法により、拡sanダイナミックスをcalculationした.そのRESULT, リチウムイオンとatomicは, まったくdifferent なる动的挙动をとることが明らかになった. Li^+はdissociationして拡sanによりクラスターのバルクをcrosscutり、その后、クラスターから出出する. The section of the highest occupied track (HOMO) is located along the road. side The vibration of the edge carbon material is the same as the vibration, and the 700K or less is the uncensored material.また、カーボンシート上にアルミニウムをドープすることにより、拡 scattering speed が, 8-10 times acceleration and reduction, new standard material and theoretical design.

项目成果

Akira SHIMIZU: "Diffusion of Li+ ion in graphite cluster model at 800 K: a direct molecular orbital dynamics Study"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 63. 619-624 (2002)

Akira SHIMIZU：“800 K 石墨簇模型中锂离子的扩散：直接分子轨道动力学研究”《固体物理与化学杂志》。

Akira SHIMIZU: "The direct molecular dynamics Study on the hydrogen species adsorbed on the surface of planar graphite cluster model"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 63. 579-763 (2002)

Akira SHIMIZU：“平面石墨簇模型表面吸附氢物种的直接分子动力学研究”固体物理与化学杂志。

Akira SHIMIZU, Hiroto TACHIKAWA: "Molecular dynamics calculation on three lithium atoms in planar cluster model C150H30 for glassy carbon"JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS. 64. 2235-2243 (2003)

Akira SHIMIZU、Hiroto TACHIKAWA：“玻璃碳平面簇模型 C150H30 中三个锂原子的分子动力学计算”固体物理与化学杂志。

Akira SHIMIZU, Hiroto TACHIKAWA: "Molecular dynamics simulation on diffusion of lithium atom pair in C150H30 cluster model for glassy carbon at very low temperatures"ELECTROCHIMICA ACTA. 48. 1727-1733 (2003)

Akira SHIMIZU、Hiroto TACHIKAWA：“极低温下玻璃碳 C150H30 簇模型中锂原子对扩散的分子动力学模拟”《电化学学报》。

Akira SHIMIZU, Hiroto TACHIKAWA: "Molecular dynamics simulation for sodium atom in and on the two layers of C150H30 graphite plane"JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS. 64. 2397-2402 (2003)

Akira SHIMIZU、Hiroto TACHIKAWA：“C150H30 石墨平面两层中和两层上钠原子的分子动力学模拟”固体物理与化学杂志。