要 旨
リチウムイオン２次電池の容量増加を目指して、負極の炭素材料の最適構造を理論的アプローチにより探索した。その結果、リチウムイオン２次電池の負極の炭素材料の理論設計に世界で初めて成功した。
研究の意義と目的
近年、リチウムイオン２次電池は、ノートパソコン、携帯電話、電気自動車等のバッテリーとして用途が急速に拡大している。それに伴い、電池容量の増加、小型軽量化、低価格化等の要求が高まっている。そのため、リチウムイオン２次電池の高性能化を目指して、正極、負極、電解液の材料探索の研究開発が盛んに行われている。
我々は負極の炭素材料についてリチウムイオン２次電池の高性能化のための理論探索を行った。負極には各種の炭素材料が利用されているが、炭素材料へのリチウムイオンの吸蔵・放出の機構やその構造が不明なままである。性能向上を図るためには負極の高性能化が不可欠であり、そのためにはリチウムイオンの詳細な挙動解明が必要である。
しかし、負極の炭素材料は不定形であるために、実験的なアプローチは極めて困難である。したがって、現状では試行錯誤的な、きわめて非効率的な材料探索が行われている。そこで我々は材料探索への設計指針を提示することを目的として、理論的アプローチによりリチウムイオン２次電池の負極の材料設計を行った。
研究方法
非経験的分子軌道法のプログラムQ-Chemを用いて、種々の大きさ・形状の炭素のクラスターについて電子状態を計算し、炭素クラスターの最適構造の探索を行った。
研究成果
(1) リチウムイオンの吸蔵位置について
これまでは炭素クラスターのどこの位置にリチウムイオンが吸蔵されるかが全く不明であり、幾つかの仮説が提案されているのみであった。そこで我々は下図のような炭素クラスターについてリチウムイオンの吸蔵の位置を計算した結果、これまでに知られていない新たな位置にリチウムイオンが吸蔵されることを発見した。
(2) 炭素クラスターの最適構造について
(1)の結果から、リチウムイオン２次電池の容量を増加させるには、これまでに知られ ていた炭素クラスターの面と面の間だけでなく、クラスターの面内の周辺部の位置に多 数リチウムイオンが吸蔵できるような炭素クラスターが望ましいことが導かれる。
そこで、下図に示すような様々な大きさ・形状の炭素クラスターについて非経験的分子軌道法で電子状態を計算し、リチウムイオンとの電子の授受に最適な構造を探索した。その結果、幾つかの最適な炭素クラスターの構造が見出され、これらの構造の炭素材料を合成すれば、これまでのリチウムイオン２次電池の性能を数倍に向上できることを発見した。
