锂离子充电电池的构造和工作原理。图片由富士胶片提供。 

通过此次研究查明的化学反应的示意图。图片由富士胶片提供。 

 

    对于锂离子充电电池的性能和安全性，电解液的还原及分解反应、以及由电解液分解形成的SEI膜（电极表面的覆膜）的形成被认为是“关键”。虽然大家都知道SEI膜的功能可通过添加微量添加剂得到显著改善，但与SEI膜的形成相关的化学反应却因为难以直接观察而一直未能探明。 

 

    此次研究使用超级计算机“京”，在全球首次将融合了处理化学键变化的“第一性原理分子动力学法”与计算液体中化学反应的“自由能计算法”融合在一起的计算技术运用到了锂离子充电电池中。前者是不利用经验参数、只使用基于量子力学方程式的原子间作用力的分子动力学计算方法，后者是求解动态化学反应的激活自由能、反应自由能及反应路径的方法。计算机模拟时，电解液材料使用碳酸亚乙酯（EC），添加剂使用碳酸亚乙烯酯（VC）。 

 

    经过计算机模拟，最终在分子水平查明了EC和VC的还原与分解的过程、EC与VC反应形成SEI膜的过程以及上述程中的副产物气体（CO、C2H4、CO2）的产生情况。从而探明了被充电时在电极间移动的离子还原的电解液的分子与未被还原的添加剂的分子发生反应、从而形成SEI膜材料的新的化学反应机制。