炭素負極内のNaクラスター形成の新機構提唱~次世代Naイオン電池の高エネルギー密度化に新たな指針~

2025-11-19 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)総合研究院化学生命科学研究所の館山佳尚教授・林哲安研究員らのチームは、次世代の ナトリウムイオン電池(Naイオン電池)負極材料として用いられるハードカーボン(HC)内におけるナトリウムイオン(Na⁺)の振る舞いを、スーパーコンピュータ「富岳」等を用いた高精度計算(DFT‐MDシミュレーション)で明らかにしました。ナノスケールの孔(ナノ孔)において、従来想定されていた2次元的吸着状態から、早い段階で3次元的な準金属的 Na クラスターが形成される機構を理論的に予測しています。さらに、クラスター形成と併せて Na⁺ の自己拡散挙動を解析し、カーボン層内の構造(分岐・結合)変化が拡散のボトルネックとなることを示しました。また、「最適なナノ孔径は約1.5 nm」であるという設計指針も提案されており、HC負極の高容量化・高エネルギー密度化に向けた材料設計に新たな知見を提供しています。これにより、鉄系・コバルト系など希少資源に依存しない Naイオン電池の普及促進が期待されます。

炭素負極内のNaクラスター形成の新機構提唱~次世代Naイオン電池の高エネルギー密度化に新たな指針~
図1.(a)Naイオン電池の模式図(充電時)。(b)ハードカーボン(HC)負極の想定図。黒線がカーボン(C)層、黄球がNaイオンを表す。赤破線がナノスケール(ナノ)孔領域に相当し、赤矢印がNaイオン拡散を示す。

<関連情報>

硬質炭素ナノ細孔におけるNaクラスター形成とNaイオン拡散の支配的過程の解明:DFT-MD研究 Unveiling Dominant Processes of Na Cluster Formation and Na-Ion Diffusion in Hard Carbon Nano-Pore: A DFT-MD Study

Che-an Lin, Huu Duc Luong, Ryoma Sasaki, Yoshitaka Tateyama
Advanced Energy Materials  Published: 17 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202505227

Abstract

The pore filling by Na cluster formation in designated hard carbon (HC) anodes has been reported as a major origin of the extended plateau capacity for Na-ion battery. However, there is a lack of thorough insight into the mechanism of Na cluster formation. Furthermore, the factors causing sluggish Na-ion diffusion in HC are still unclear. In this work, these issues are addressed using density-functional-theory-based molecular dynamics with two parallel/distorted graphene sheets as models for the HC nano-pores and graphitic regions. The calculations demonstrated that capacitor-like Na-ion adsorption only takes place at the beginning of sodiation. With further sodiation, quasi-metallic Na cluster nucleates in the pore center instead of defect sites on the graphene sheets. It is also found that 1.5 nm is the most favorable pore size for the Na clustering. Regarding the sluggish experimentally measured Na-ion self-diffusivity (≈10−11 cm2 s−1), the present HC models indicate that Na ions show locally high diffusivity in the pores and graphitic regions at 300K (≈10−5–10−6 cm2 s−1), while the transition regions between large and small interlayer distance are likely to be the rate limiting step for Na-ion diffusion in HC due to the drastic change in Na-ion charge.

0402電気応用
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