SAMURAI - NIMS Researchers Database

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外部併任先

研究内容

Keywords

第一原理計算、自由エネルギー計算、酸化還元反応、電気化学反応、界面反応、リチウムイオン電池、太陽電池、触媒

所属学会

日本物理学会, 電気化学会, 日本固体イオニクス学会, American Chemical Society, International Society of Electrochemistry

エネルギー・環境材料研究センター
タイトル

エネルギー・環境材料の界面理論・計算科学研究

キーワード

第一原理計算,スーパーコンピュータ,酸化還元反応,電気化学反応,蓄電池

概要

電池、触媒などのエネルギー・環境デバイスは、電子・ホールとイオンの両者が可動であり、かつそれらが頻繁に電極界面にて電荷授受を行い(時には横切り)、さらにその動きが外部バイアスでコントロールされるという点で、複雑だが大変面白い系であると言える。これらデバイスの開発において、デバイス内材料にて起こっているミクロな現象の理解は不可欠である。先端計測により解明が進められている一方、材料内の埋もれた界面における電子・原子描像はいまだに不明な点が多い。そこで我々は実験に先んじて理論的に提案することを目標に、高精度大規模第一原理計算によるエネルギー・環境材料、特に蓄電池材料における、ミクロなメカニズムの解明を近年進めてきた。

新規性・独創性

蓄電池材料内の界面・イオニクス現象に関する理論・計算技術
界面酸化還元反応の理論・計算技術
「富岳」などのスーパーコンピュータを最大活用した大規模大量第一原理計算技術

内容

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我々は実験に先んじて理論的に提案をすることを目標に、精度を十分担保しかつ複雑な構造をできるだけそのままモデル化した大規模第一原理計算を行う技術を蓄積してきた。その中で、スーパーコンピュータ「京」「富岳」の高効率利用に向けたコード開発・チューニングも進めてきた。それにより蓄電池内ミクロ現象の最難関ともいえる電極ー電解質界面における電子・イオン移動のメカニズム解析を大きく進めることができた。
特に構造サンプリングが(固液界面に比べても)より困難な固固界面に対して、AI手法の1つである粒子群最適化(PSO)を組み合わせた「ヘテロ界面CALYPSO法」を開発した。これにより出現確率の高い固固界面を効率的に得ることが可能になり、よりリアリスティックな電極ー電解質界面現象を記述できるようになった。これと第一原理計算を組み合わせることで、界面におけるイオン移動や電子状態変化(バンドオフセット)の見える化に成功した。これらをSPring-8等の実験と比較することで、「蓄電固体の界面科学」の理解が大きく進むことが期待できる。我々はまた硫化物・酸化物・有機系固体電解質におけるイオン伝導に関するMD計算研究も積極的に進めている。特に最近は酸化物固体電解質の「粒界」に関する第一原理MDに挑戦し、新たな理論的知見を獲得した。

まとめ

我々が高精度大規模第一原理計算で得られた知見は、蓄電池開発においても重要な指針を与えるものとなっている。また、これらの国際的競争力のある計算技術を、企業等へ技術移転することにより我が国の産業競争力強化につなげることも重要であり、現在、課題責任者を務める文部科学省「富岳」成果創出加速プログラムの「富岳」材料物理化学課題においてその取り組みを進めている。今後も蓄電池開発のブレークスルーと蓄電池および界面電気化学の学理の発展を目指して研究を進めていきたい。

この機能は所内限定です。
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