非平衡理論を駆使しイオン伝導度計算の高速高精度化に成功

佐々木遼馬助教（東京科学大学：計画A01）

【概要】

東京科学大学（Science Tokyo）※ 総合研究院 化学生命科学研究所の佐々木遼馬助教、館山佳尚教授、クイーンズランド大学のデブラ・サールズ教授らの研究グループは、全固体電池の固体電解質などで重要となる イオンの協同運動[用語1]を考慮したイオン伝導度[用語2]を、従来の平衡分子動力学法（平衡MD法）[用語3]シミュレーションに比べて100倍高速に計算できる「非平衡MD法」を開発しました。 本手法では、非平衡熱力学[用語4]の理論に基づき、電解質内にイオンの協同運動効果を考慮した一定のイオンの流れを駆動することで、イオンの移動プロセスを数多く発生させ、その結果として、従来の手法に比べ短時間で十分な統計精度を持つイオン伝導度計算が可能となりました。 カーボンニュートラル社会の実現に向けて、次世代蓄電池の一角を担う全固体電池が注目を集めており、正極と負極の間でイオンが高速に移動する固体電解質の開発が急務となっています。 その材料探索は世界中で進められており、計算科学による材料スクリーニング・データの生成も重要な役割を果たしています。 しかし、従来の平衡MD法を用いた計算手法では、固体内のイオン伝導の本質である「イオンの協同運動」を正確に取り扱うのに高い計算コストがかかるため、多くの研究でこの効果を無視する近似が採用されてきました。 本研究では、イオンの流れを一定に制御する定電流方式を取り入れた非平衡MD計算手法を新たに開発することで、この計算コストの壁を打破し、協同運動効果を考慮した高精度計算の高速実行に成功しました。 本手法により得られるイオンの協同運動効果を考慮した定量的なイオン伝導度は、固体電解質材料のスクリーニング精度を格段に向上させるため、材料探索を大きく加速し、全固体電池の実用化に貢献すると期待されます。 さらに今後のイオン伝導度に関する基礎学理の発展にもつながります。 本成果は、2月19日付（現地時間）の「PRX Energy」誌に掲載されました。

Abstract

Calculation of ionic conductivity including ion-ion correlation effects using equilibrium molecular dynamics (EMD) is computationally demanding, but the correlation is significant in many promising electrolytes such as solid electrolytes. Herein, we have developed a “constant-current” nonequilibrium MD (NEMD) simulation method, in contrast to the conventional constant-field approach, for ion-ion correlated conductivities from a constrained ionic current with fluctuating external field. The improved efficiency of the constant-current NEMD approach is demonstrated by applying it to a representative solid electrolyte, cubic Li7⁢La3⁢Zr2⁢O12. The convergence of the correlated conductivity is faster than that of EMD by 2 orders of magnitude. The low-temperature NEMD simulations also reveal that the ionic conductivity of Li7⁢La3⁢Zr2⁢O12 exhibits non-Arrhenius behavior of the activation energy that changes at around 600 K. This work presents not only the high sampling efficiency of constant-current NEMD to calculate the correlated ionic conductivity, but also the importance of direct computations of ionic conductivity at low temperature without Arrhenius extrapolation.

R. Sasaki, Y. Tateyama, D. J. Searles,PRX Energy (2025) "Constant-Current Nonequilibrium Molecular Dynamics Approach for Accelerated Computation of Ionic Conductivity Including Ion-Ion Correlation"

https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.4.013005

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