シャープとQunaSysの量子計算、全固体電池のイオン移動を評価する

全固体電池では、電極の間をイオンが行き来する道も固体になります。その材料の中をイオンがどれだけ動きやすいかは、電池材料を選ぶ際の大切な手がかりです。シャープとQunaSysは2026年10月22日、この移動に必要なエネルギーを量子計算で評価する研究を、より複雑な材料へ広げると発表しました。NEDO量子懸賞金事業の第二期で進める取り組みです。[1]

今回広げるのは、計算で扱う材料の複雑さ

固体電解質は、電池の内部でイオンを運ぶ役割を持つ材料です。共同発表によると、第一期では、その中でイオンが移動するために必要なエネルギーの評価へ量子計算を適用しました。シャープが材料開発で必要な評価項目と精度を定め、QunaSysが量子計算で扱える計算手法へ落とし込む役割を担いました。[1]

第二期の焦点は、計算対象を拡大することです。原子をより多く含む複雑な材料を扱い、実際の材料に近い条件で候補の違いを評価しようとしています。材料の合成や試作評価に計算結果を生かすことは、今後の目標として挙げられています。[1]

「動きやすさ」をエネルギーから考える

イオンが固体の中を動くとき、周囲の原子との位置関係も変わります。出発点と到着点が安定でも、その途中にエネルギーの高い配置があれば、そこを越える必要があります。この移動経路に沿ったエネルギーの山を調べることで、移動の起こりやすさを考えられます。

たとえば、リチウムイオン伝導体を対象としたUenoらの2021年の論文は、移動経路の探索と密度汎関数理論（DFT）による計算を組み合わせています。DFTは電子の分布から物質のエネルギーなどを求める方法です。経路を見つけ、その途中のエネルギーを評価する、という二つの課題があることが分かります。これは従来の計算による別研究であり、今回の両社が同じ手法を採用したという意味ではありません。[3]

エネルギー障壁が低いかどうかは有用な比較軸ですが、それだけで電池の充電時間は決まりません。材料内にどのような経路がつながっているか、温度や欠陥がどう影響するか、異なる結晶粒の境界を越えられるかも関わります。NIMSらの2023年の研究では、特定の酸化物系固体電解質でリチウムの拡散を可視化し、結晶粒どうしの境界が移動の妨げになる様子を捉えています。[4]

精度と効率を比べるために知りたい条件

共同発表は、第一期の検証で、より高精度かつ効率的な評価を確認したと説明しています。一方、その発表には使用した量子計算機、量子ビット数、対象材料と原子数、誤差の基準、比較相手、処理時間の内訳は示されていません。[1] そのため、従来計算を上回る速度や精度を、この資料だけから確かめることはできません。

今後、計算結果が公表されたときは、まず同じ材料・構造・移動経路を比較しているかを確認すると、数値の意味をつかみやすくなります。次に、どの値を正解の基準とし、どれだけの誤差まで許したのかを見ます。処理時間についても、量子計算の実行部分に加えて、準備や繰り返し測定、従来計算側の処理まで含むのかで評価が変わります。

NEDOの第二期は、提案の審査を経て研究開発と成果審査へ進む仕組みです。採択されたことと、計算上の優位性や実際の電池性能が実証されたことは、それぞれ別の段階です。[2] 今回の進展は、材料側が必要とする精度を量子計算の課題へつなぎ、より複雑な対象で検証する研究が継続する点にあります。実材料の候補をどこまで絞り込めるのかが、次の成果を見る手がかりになります。

材料開発を進めるシャープの事業については、Cyclewaveのシャープの企業解説でも紹介しています。家庭向けの家電、職場の機器、製品に組み込むディスプレイを手がける会社としての広がりと、量子計算を使った電池材料研究の位置づけを確認できます。

出典

1. シャープ・QunaSys「量子コンピュータを用いた全固体電池材料の評価技術開発がNEDO量子懸賞金事業第二期に採択」（2026年10月22日、共同発表）。発表ページ／発表資料PDF
2. NEDO量子懸賞金事業 Season2、事業の流れ・FAQ。公式サイト
3. Ueno et al., “Robust and efficient calculation of activation energy by automated path search and density functional theory”（2021年、arXiv:2104.08000）。著者公開論文
4. NIMSほか「全固体電池のリチウムイオン移動を妨げている粒界を可視化」（2023年12月18日）。研究発表