全固体電池内のイオン伝導度を高速、高精度に予測：次世代電池材料の開発を一気に加速

東京科学大とクイーンズランド大学の研究グループは、全固体電池や燃料電池内のイオン伝導度を、高速かつ高精度に予測できる計算手法を開発した。「非平衡MD（分子動力学）法」と呼ばれるこの方法は、従来の平衡MD法に比べ100倍も高速に計算できるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

非平衡かつ定電流方式を活用、計算速度は従来手法の100倍

　東京科学大学総合研究院化学生命科学研究所の佐々木遼馬助教と館山佳尚教授、クイーンズランド大学のデブラ・サールズ教授らによる研究グループは2025年2月、全固体電池や燃料電池内のイオン伝導度を、高速かつ高精度に予測できる計算手法を開発したと発表した。「非平衡MD（分子動力学）法」と呼ばれるこの方法は、従来の平衡MD法に比べ100倍も高速に計算できるという。

　リチウムイオン電池では、従来の有機電解液ではなく、安全性に優れた固体電解質を用いる全固体電池が注目されている。ところが、室温環境で高いイオン伝導度を示す固体電解質はあまり見つかっていないという。その背景には、室温領域のイオン伝導度を高速に計算する手法がなかったことも影響しているといわれている。

左は全固体電池の模式図、右は固体電解質内におけるイオンの協同的運動の模式図［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

　研究グループは今回、系に外場を与えてイオンの流れを一定に制御する非平衡MD法を開発した。これは、定電流試験に相当するシミュレーション手法だという。実験では、代表的な固体電解質の1つであるLi₇La₃Zr₂O₁₂を対象とした。

　開発した計算手法で算出した室温領域におけるイオン伝導度の値は、実験値とよく一致した。また、この計算時間についても検証した。この結果、室温に領域に近づくにつれ、計算速度が速くなった。しかも、これまで計算が難しいといわれてきた系の大きい材料に対しても、開発した計算手法が適用できるという。

　深層学習技術と組み合わせることも可能で、計算による高イオン伝導性電解質の探索が、一気に加速される可能性が出てきた。

平衡MD法と非平衡MD法の比較、右は定イオン流非平衡MD法の概念図［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

左はイオン伝導度の温度依存性、右は開発した計算手法による高速度化［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学