高性能蓄電材料の充電特性をスパコンのシミュレーションで解析

シミュレーションによって完全に同定されたコバルト水酸化物中の水素位置(H1～H10まで付番)。青丸はコバルト原子、赤丸は酸素原子、茶丸は炭素原子を表している

　北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)のサスティナブルイノベーション研究領域の本郷研太准教授は、奥村健司大学院生、東間崇洋元大学院生、前園涼教授との共同研究で、スーパーコンピュータによるシミュレーションで、コバルト水酸化物の内部構造を明らかにし、その材料が持つ高い蓄電効率の理由を解明したと発表した。

　電力需給逼迫問題の解決には、電力蓄蔵システムの実現が望まれているが、現在の蓄電材料(キャパシタ材料)では性能が不十分なため、「より多くの電荷を効率的に貯蔵できる」、「より素早く充放電できる」材料(疑キャパシタ材料)の開発が進められている。

　その中で、コバルト水酸化物と呼ばれる固体材料が疑キャパシタ材料として優れた特性を示すことが指摘されているが、内部のメカニズムが分からず、高い備蓄効率の実現のメカニズムが未解明であった。そのため、材料の改良やより高効率な材料の見出しができず、次の開発に繋げられなかった。

　今回の研究では、「密度汎関数法第一原理計算」と呼ばれる手法を用いることで、該当系の充電特性にかかる原子配列情報の完全な同定に成功。具体的には、スーパーコンピュータのシミュレーションで、高い充電性能を担う相と、充放電の繰り返しで構造が脆くなるのを防ぐ骨格となる相が協奏して優れた物質系を実現していることが分かったという。

　スーパーコンピュータを用いて原子配列情報が同定できれば、電子レベルでの充電メカニズムが解明できる。今後、どのような方針で原子配列をチューニングすれば望ましい備蓄素材を設計できるかを知ることができ、さらなる備蓄の高効率化に向けた改良につながると期待されるとしている。