リチウム金属電池の保護膜形成をシミュレーションで可視化 ―原子レベルで解き明かした保護膜形成メカニズム―

2026-10-28 東京大学

東京大学とENSTA Parisの研究チームは、リチウム金属電池の性能や寿命、安全性を左右する保護膜「固体電解質界面(SEI)」の初期形成過程を、原子レベルで可視化するシミュレーション技術を開発した。第一原理計算の結果を学習した機械学習力場と分子動力学シミュレーションを組み合わせ、約4,000原子からなるリチウム金属・電解液界面の反応を解析した。さらに、原子間の結合生成・切断を自動検出する反応解析手法を開発し、電解液成分の分解経路と保護膜の形成過程を体系的に追跡した。その結果、電解液の組成によって分解反応やSEIの構造が変化し、LiFSI系電解液ではリチウム金属表面近傍にLi₂O、その外側にLiFが分布することを示した。実験で報告された構造とも整合しており、次世代蓄電池の高寿命化・高安全性化に向けた電解液や界面の合理的設計に貢献する成果である。

リチウム金属電池の保護膜形成をシミュレーションで可視化 ―原子レベルで解き明かした保護膜形成メカニズム―
機械学習を活用した高精度シミュレーションによる保護膜(SEI)形成過程の可視化

<関連情報>

機械学習力場分子動力学シミュレーションによるリチウム金属上のSEI形成の解析 Machine learning force field molecular dynamics simulation of SEI formation on lithium metal

Norio Takenaka, Taiga Iwata, Théophane Bernhard & Atsuo Yamada
npj Computational Materials  Published:07 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-026-02271-y

Abstract

Lithium metal batteries represent a cornerstone technology for next-generation energy storage systems owing to their exceptional energy density. However, the extreme reactivity of lithium metal drives continuous parasitic reactions with electrolytes, causing interfacial instability and dendritic growth that severely hinder practical deployment. Formation of a protective solid electrolyte interphase (SEI) through electrolyte decomposition is essential for stabilizing the lithium metal surface, yet the underlying mechanisms remain poorly understood due to the scarcity of experimental techniques capable of accurately probing highly reducing interfacial environments. Here we investigate the early-stage formation processes of SEI on lithium metal at the atomistic scale using molecular dynamics simulations based on a machine learning force field trained on first-principles calculations. Furthermore, an automatic reaction identification program developed in this work enables systematic extraction of key kinetic information such as the identification, sequence, and probability of elementary reactions, as well as the formation rates of decomposition products. Typical experimental observations on the characteristic SEI structure, consisting of an inner oxide-rich layer and an outer fluorinated layer, were successfully reproduced. This simulation methodology provides an effective framework for analyzing the initial stage of SEI formation and offers useful insights for the design of stable lithium metal batteries.

0502有機化学製品
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