電池材料の「協奏的なイオン輸送」を可視化する新理論を開発
佐藤龍平助教（東京大学：計画A01） 安藤康伸准教授（東京科学大学：計画A01）
【概要】
東京大学大学院工学系研究科の佐藤 龍平 助教、澁田 靖 教授、東京科学大学総合研究院化学生命科学研究所の安藤 康伸 准教授、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）のサウ カーティック 特任講師らの研究グループは、流体力学の流れ場の考え方を応用し、電池材料におけるイオンの集団輸送を可視化する新しい解析手法を開発しました。研究グループは固体電解質（注1）の分子動力学シミュレーション（注2）を実施し、シミュレーション中で実際に起こるイオンの協奏的な輸送（注3）を、イオンの変位ベクトル同士をつないで構築する「有向グラフ解析（注4）」により可視化することに成功しました。さらに、このグラフからイオン伝導度を計算したところ、厳密な統計力学に基づくイオン伝導度の計算式の結果と一致することを確認しました。これにより、固体電解質中で「いくつのイオンが連動して動いているか」という描像を直接得るとともに、集団運動とイオン伝導度を1対1で結びつける新しい理論式を確立しました。本成果は、協奏的な運動を制御して電池性能を高めるための物理化学的基盤を提供するものであり、次世代の固体電解質設計に役立つことが期待されます。本研究成果は、2025年12月12日（米国東部時間）に「Chemistry of Materials」に掲載されました。
Abstract
A directed-graph model is proposed to describe the concerted ion migration in superionic conductors. Here, each ion hopping during the molecular dynamics simulation is represented as a displacement vector. One hopping event is then temporally and spatially connected to another based on a cutoff distance determined from the short-range part of the van Hove correlation function (i.e., closer than the first peak of the pair distribution function), thereby reconstructing the concerted ion migration. This enables the quantitative visualization of concerted migration within short time intervals. The parameters of this model are derived from physically meaningful quantities such as jump distances, diffusion coefficients, and pair distribution functions, reducing the reliance on arbitrary hyperparameters. We applied the model to Li10GeP2S12, Na2Ni2TeO6, and AgI, demonstrating its general applicability and robustness. The model quantitatively bridges microscopic ion trajectories with macroscopic ionic conductivity. It accurately reproduces the ion conductivity obtained via the Green–Kubo formalism with ion–ion correlations, corresponding to conductivities measured by electrochemical methods such as impedance spectroscopy. This consistency validates the concerted migration picture from our directed-graph model, where more than five ions are frequently involved in each concerted migration event. Our analysis further reveals that enhanced conductivity is linked to a local “correlation distance” between hopping ions. This suggests that controlling local interactions such as ion-lattice coupling offers a pathway to optimize the concerted ion migration in superionic conductors.
"*Ryuhei Sato, Yasunobu Ando, Kartik Sau, Yasushi Shibuta"Chem. Mater. 2025"Visualizing Concerted Ion Migration of Superionic Conductors via Directed Graphs"