■ 現在の研究概要
現在は主にリチウムイオン電池の材料研究を中心に行っています。下の図は、私たちのリチウムイオン電池の研究方向を図示化したものです。大きく２つの研究軸で構成されています。縦軸は、電池を構成する要素材料（正極、負極、電解質）を個々に最適化しようとする方向（マテリアル設計）と、それぞれの材料を組み合わせて電池としてシステム最適化を目指す方向（デバイス設計）をあらわしています。一方、横軸は研究手法の軸であり実験的方法と計算的方法を考えています。これらの研究軸を意識して、相補的に研究を進めていくことで蓄電池材料開発に貢献しようと考えています。
最近は、デバイス設計の観点で「全固体デバイス構築」と「界面反応機構」に注目しています。また、マテリアル設計の観点では「固体内イオン拡散」の基礎的課題から「計算先行型の新材料発見」などをテーマにしています。また、これまでの蓄電池研究の成果をもとに、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）関連材料や誘電体などの研究にも展開しています。
リチウムイオン電池は、携帯電話・ノートパソコンなどの小型・軽量の携帯機器が幅広く使用されるようになり，その電源としての電池容量の向上に対する要求も高まっています．また，将来のエネルギー環境問題解決の為に，電気自動車や夜間の余剰電力の蓄電による負荷平準等の用途に用いる大型電池の開発も望まれています。一方で、リチウムイオン電池の充放電反応は理論モデル化しやすいため、基礎研究も活発に行われています。
我々は、電極反応やイオン伝導などの基礎研究から材料を理解し、有用な「材料設計・デバイス設計」につなげていくことを目指します。
【参考：電池反応】
電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、放電の際には、正極で還元反応、負極で酸化反応が起こります.また、充放電可能な二次電池では、充電時にその逆反応が起こります.リチウム二次電池は,リチウムイオンを介在とする電池であり「インターカレーション反応」と呼ばれる構造を維持したままイオンを取り込んだり,放出したりする反応を基本としています.つまり,結晶構造を維持したまま充電時には酸化反応を伴って図1の左側の酸化物正極からリチウムイオンがかい出され,電解液を介して移動し,還元反応を伴って右側の黒鉛負極中へ取り込まれます.また,放電時には逆にリチウムイオンが負極から正極へ移動します.
第一原理計算法、分子動力学法、モンテカルロ計算法などを駆使して、材料の機能予測やシミュレーション法を確立する研究を進めています。研究対象として、上記に例示したリチウムイオン電池材料にとどまらず、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電極や酸化物イオン導電体、誘電性・絶縁性材料などを対象にしています。
【参考：第一原理計算】
第一原理計算とは「既存の実験結果を含めて経験的パラメーター等を一切用いない」計算法の総称である。従って第一原理計算から得られた結果は演繹的であり、計算結果を実験結果等と比較評価することで原理や理論に含まれる誤謬や仮定によって生じる適用限界を検証することが出来る。第一原理計算には様々な種類があるが、特に断りがない場合には電子状態計算を指すことが多く、平たく言えば任意の系のシュレディンガー方程式を解くことに相当する。現実には解析解を得ることが出来ないため様々な近似法を用いている。例えば強い電子相関などは近似法の適用外となることもあり、現在でも新たな近似手法の開発が精力的行われている。第一原理計算の特徴として、現実を再現する高い精度があげられ、実験では困難な現象の解析などに有力な方法として近年注目されている。
■ 共同研究など
産学を問わず国内外の研究者とも広く共同研究を行い、技術や知識の交流をしています。
【最近の共同研究（成果が論文等で公開されたもの 2009年度以降）】
・ 首都大学東京： M. Nakayama, M. Kanamura et al. PCCP, in press (2012)
・ ＡＧＣセイミケミカル： T. Itoh, M. Nakayama, J. Solid State Chem. in press (2012) 他2件
・ アーヘン工科大学： M. Nakayama, PCCP, 14, 6079 (2012) 他２件
・ ニューヨーク州立大学： J. Cabana, J. Shirakawa, M. Nakayama, M. Wakihara, C. P. Grey, J. Mater. Chem. 21 10012 (2011)
・ 東京工業大学： M. Nakayama, S. Kuroki, et al. Energy and Environ. Sci 3, 1995 (2010) 他2件
・ 学習院大学： M. Nakayama, Y. Inaguma et al. Adv. Mater. 22, 2579 (2010)
・ トヨタ自動車： M. Nakayama, A. Shirasawa, T. Saito, J. Ceram. Soc. Jpn. 117, 911 (2009)
・ スイス連邦工科大学： T. J. Patey, M. Nakayama, P Novak, et al. PCCP, 11, 3756 (2009)
・ 電力中央研究所： W. Cho, M. Nakayama, M. Wakihara, Y. Kobayashi, M. Miyashiro et al. Electrochim. Acta, 54, 1842 (2009)
・ 東京理科大学： K. Kubota et al., J. Phys. Chem. C 119, 166-175 (2014)
・ 東京電機大学： N. Yabuuchi, et al., PNAS, in press (2015)
・ 信州大学： H. Shiiba, et al., J. Phys. Chem. C, 119, 9117-9124 (2015)
・ 物質・材料研究機構(NIMS)：
そのほか、民間企業との共同研究などを行っています。
英国 インペリアル・カレッジ
Prof. Grimes, Prof. Kilner 先生の研究室に学生（椎葉寛将君）が１０か月滞在
固体酸化物型燃料電池の研究に従事（2010-2011年度）
ドイツ アーヘン工科大学
Prof. Marin先生の研究室とは2006年度以来継続的に共同研究を実施
固体酸化物型燃料電池材料の研究