長岡研究室(名古屋大学大学院情報科学研究科物質情報講座)

実験と理論計算のインタープレイによる産業応用

今日、量子化学計算や分子動力学(MD)シミュレーションなどを基盤とする多くの計算科学的手法が発達している。実際、それらの手法と実験的手法を併用して実際的問題の解決に取り組むことが一般的になっている。このように、計算機を用いた原子・分子レベルでの理論的技術(計算分子技術)は、実験だけでは観測が難しい時間・空間スケールでの現象を理解するために役立つことが期待され、さまざまな複雑なシステム(凝集化学反応系生体分子系、それらの複合系非平衡系)へ、あるいは産業上重要な材料やデバイスへの適用が盛んに行われている。このページでは、現在、当研究室が精力的に研究を行っている応用例についていくつか紹介する。


逆浸透膜

現在、各種の高分子材料が工業生産され、日常生活において幅広く利用されている。その一例に、逆浸透膜として用いられているFT-30膜がある。この膜は、2種類の単量体分子がそれぞれ溶け込んだ水相と有機相との界面において、重縮合反応によって生成される。このとき、逆浸透膜としての性能を向上させるためには、特定の圧力勾配下で塩の除去率を高レベルで維持しながら、水の流速を最大限に引き出すことが求められる。しかし、実験による様々な測定手段によってその特性が調査されていているが、FT-30膜の詳細な微視的構造を確定するには未だ至っていない。そこで、我々は混合モンテカルロ(MC)/MD反応法を用いて、重合反応過程を再現し、原子レベルでその立体構造モデルを作成した。その計算結果と実験結果とを比較することによって、このモデルの妥当性を検討し、膜内への水の浸透や不純物である塩の除去に関する物理化学的機構の解明を試みている。我々の最終目標は、計算機シミュレーションに基づいて高性能な逆浸透膜材料を設計・創製することにある。


図1 逆浸透膜と塩水の透過機構の概念図

【参考文献】Y. Suzuki, Y. Koyano, M. Nagaoka, J. Phys. Chem. B, 119, 6776 (2015).

ナトリウムイオン電池

現在、リチウムイオン(Li+)電池は、スマートフォンをはじめ幅広い電子機器に搭載されている、現代産業と社会生活を支える極めて重要な二次電池である。しかし、この二次電池を構成するリチウムはレアメタルであり、将来にわたる持続的な安定供給には懸念が残る。そこで、近年、原材料を長期的かつ安価に調達することが可能なナトリウムイオン(Na+)電池が、Li+電池の代替品として注目されている。しかし、Li+電池の性能に比肩しうる実用レベルのNa+イオン電池を開発するためには、電極電解液添加剤などの材料を最適に設計する必要がある。現在の問題の1つとして挙げられることは、Li+電池で上手く機能する材料を使用しても、SEI膜が形成されない事である。SEI膜とは、充電過程の初期に負極表面に形成される不動態被膜であり、この膜が形成されることにより安定した充放電が可能な二次電池として機能するようになる。最近の実験研究によると、材料を上手く選択すれば、Na+電池でもこのSEI膜が形成されることが判ってきた。しかし実験では、SEI膜形成過程を直接観測することは非常に困難であるため、微視的な膜形成の化学反応機構は明らかになっていない。そこで当研究室では、これまで我々が開発してきた分子シミュレーションの新手法を武器に、SEI膜の形成機構を解明して、革新的なNa+電池の開発に大きく貢献していこうと考えている。


図2 二次電池の充放電機構の概念図

【参考文献】N. Takenaka, Y. Suzuki, H. Sakai, M. Nagaoka, J. Phys. Chem. C, 118, 10874 (2014).

(鈴木、竹中、酒井、Purushotham)

高分子

高分子とは、分子量が約1万以上である化合物の総称。例えば、プラスティックやナイロン、ポリエステル、ゴムなどが挙げられる。

逆浸透膜

海水や汽水から淡水を造り出すための技術。薄膜を通して不純物である塩をろ過し、水のみを獲得する方法。

FT-30膜

m-phenylenediamine(MPD)とbenzene 1,3,5-tricarboxylic acid chloride(TMC)の二つの単量体分子から形成される芳香族ポリアミド膜。逆浸透を利用した淡水化技術に対して高い性能を有し、逆浸透膜として代表されるポリマー膜。

重縮合反応

縮合重合とも言う。同種または異種の2分子が特定の分子を分離・結合し(縮合)、それが繰り返し生じることで分子量がより大きい化合物が生成される反応(重合)のこと。

二次電池

充電することにより繰り返し利用可能な電池のこと。ナトリウムイオン電池では、充電時に正極からナトリウムイオンが電解液に抜け出し、負極に貯蔵される。放電時には、負極に蓄えられたナトリウムイオンが正極に移動することにより、外部回路に電流が流れる。

レアメタル

非鉄金属のうち、産出量が少なく、産業界での流通量が少ない金属のこと。

電極

電池の充電・放電のために、外部と電気的に接続された部分。一般的なリチウムイオン二次電池で用いられているグラファイトを負極に用いても、ナトリウムイオン二次電池は正常に動作しない。そのため、正極にはNa由来酸化物(例えばNaFeO2,NaCrO2)、負極にはハードカーボンを使用することが提案されている。

電解液

別名、電解質溶液ともいう。イオン性物質を溶解させて作られる電気伝導性を有する溶液のこと。

添加剤

電解液に加えることにより、二次電池の性能(寿命など)を改善することが可能な物質のこと。例えば、リチウムイオン電池の電解液にビニレンカーボネートを加えると、電極に安定なSEI膜が形成されて電池がより長寿命になることが知られている。

SEI膜

固体電解質相間(Solid Electrolyte Interphase, SEI)膜の略。イオン伝導性を持つ一方で電子伝導性を持たない薄膜。ゆえに負極―電解液間でナトリウムイオンの挿入脱離を許容するが、電極表面の電解液の還元分解は抑制される。

不動態被膜

電極表面において形成され、電極―電解液間の化学反応を阻害する薄膜のこと。