非平衡理論を駆使しイオン伝導度計算の高速高精度化に成功～次世代電池材料の開発を加速～(JST)
ポイント
＜概要＞
東京科学大学（Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｏｋｙｏ） 総合研究院 化学生命科学研究所の佐々木 遼馬 助教、館山 佳尚 教授、クイーンズランド大学のデブラ・サールズ 教授らの研究グループは、全固体電池の固体電解質などで重要となるイオンの協同運動を考慮したイオン伝導度を、従来の平衡分子動力学法（平衡ＭＤ法）シミュレーションに比べて１００倍高速に計算できる「非平衡ＭＤ法」を開発しました。本手法では、非平衡熱力学の理論に基づき、電解質内にイオンの協同運動効果を考慮した一定のイオンの流れを駆動することで、イオンの移動プロセスを数多く発生させ、その結果として、従来の手法に比べ短時間で十分な統計精度を持つイオン伝導度計算が可能となりました。
カーボンニュートラル社会の実現に向けて、次世代蓄電池の一角を担う全固体電池が注目を集めており、正極と負極の間でイオンが高速に移動する固体電解質の開発が急務となっています。その材料探索は世界中で進められており、計算科学による材料スクリーニング・データの生成も重要な役割を果たしています。しかし、従来の平衡ＭＤ法を用いた計算手法では、固体内のイオン伝導の本質である「イオンの協同運動」を正確に取り扱うのに高い計算コストがかかるため、多くの研究でこの効果を無視する近似が採用されてきました。
本研究では、イオンの流れを一定に制御する定電流方式を取り入れた非平衡ＭＤ計算手法を新たに開発することで、この計算コストの壁を打破し、協同運動効果を考慮した高精度計算の高速実行に成功しました。本手法により得られるイオンの協同運動効果を考慮した定量的なイオン伝導度は、固体電解質材料のスクリーニング精度を格段に向上させるため、材料探索を大きく加速し、全固体電池の実用化に貢献すると期待されます。さらに今後のイオン伝導度に関する基礎学理の発展にもつながります。
本研究成果は、２０２５年２月１９日付（現地時間）の「ＰＲＸ Ｅｎｅｒｇｙ」誌に掲載されました。
本研究は、日本学術振興会 科学研究費助成事業（ＪＰ２１Ｊ１２５６６、ＪＰ２４Ｈ０２２０３、ＪＰ２４Ｋ２３０９９）、文部科学省 卓越大学院プログラム「東京科学大学 物質・情報卓越教育院（ＴＡＣ–ＭＩ）」、スーパーコンピュータ「富岳」成果創出加速プログラム「物理－化学連携による持続的成長に向けた高機能・長寿命材料の探索・制御」（ＪＰＭＸＰ１０２０２３０３２５）、データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト「再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点」（ＤＸ－ＧＥＭ、ＪＰＭＸＰ１１２２７１２８０７）、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「分子結晶全固体電池の創製」（ＪＰＭＪＣＲ２２０４）、ＪＳＴ ＡＳＰＩＲＥ「分散型国際ネットワークが実現する基盤蓄電技術革新とネットゼロ社会」（ＪＰＭＪＡＰ２３１３）の助成を受けて行われました。本研究のシミュレーションは、東京工業大学・東京科学大学のスーパーコンピュータＴＳＵＢＡＭＥ３．０および４．０、物質・材料研究機構のスーパーコンピュータ、スーパーコンピュータ「富岳」を用いて実行しました。また文部科学省 ＨＰＣＩプログラム利用課題（課題番号：ｈｐ２３０１５４、ｈｐ２３０２０５、ｈｐ２４０２２４）の協力を受けました。
＜プレスリリース資料＞
本文PDF（1.3MB）
＜論文タイトル＞
“Constant-current nonequilibrium molecular dynamics approach for accelerated computation of ionic conductivity including ion-ion correlation”
DOI:10.1103/PRXEnergy.4.013005
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