成果報告書詳細
管理番号20120000000017
タイトル平成18~22年度成果報告書 系統連系円滑化蓄電システム技術開発 要素技術開発 電力貯蔵用アドバンスドLiイオン電池の研究開発
公開日2012/4/14
報告書年度2006 - 2010
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P06004
部署名スマートコミュニティ部
和文要約I.研究開発の成果と達成状況
1. 研究開発の成果
1.1 要約
(1) 電池材料の開発(日立製作所)
10年以上の長寿命化と低コスト化を図るために、酸化物を被覆したスピネルMn正極を開発した。スピネルMn正極に、各種被覆材料(Mn以外の元素A, B, Cからなる酸化物AOx, BCOx)からなる被覆層を形成させ、被覆量を最適化したところ、サイクル寿命を向上させることができた。さらにプロセスの最適化によって、数gバッチの表面被覆から100 gバッチへ製造量のスケールアップを実現し、被覆のない場合に対してMn溶出量を40%まで低減することに成功した。表面被覆スピネルMn正極を用いた電池の1000サイクル経過時容量は、被覆のない場合よりも4%向上した。
つぎに、高エネルギー密度化と長寿命化のために黒鉛負極の改良を行った。タグチメソッドを適用して集電体と電極の密着性を約2倍に向上させ、充放電700サイクル経過時点での容量維持率を従来仕様に対して30%改善した。
電解液材料については電池寿命に対する電解液組成と添加剤の影響を検討し、環状系溶媒/鎖状系溶媒の比率の増大により寿命が改善されることを確認した。
(2) 電池仕様の検討・評価(日立製作所・新神戸電機)
スピネルMnと層状系材料の混合正極を用いた1Ah級モデル電池を製作し、放電容量を10%向上(対スピネル正極)させた。負極については非晶質炭素の他に低コスト黒鉛を検討し、黒鉛単独または黒鉛+非晶質炭素混合負極を用いて電池エネルギー密度が増大することを確認した。本成果を8 Ah電池に適用した。
混合正極と非晶質炭素負極からなる8 Ah電池を用いて、寿命推定手法を検討した。電池劣化速度が充電深度50%時の保存劣化と0.5 Cのサイクル劣化の各速度の加法式で表されることを導出し、温度25~45℃において寿命を推定できることを検証した。
(3) 単電池の設計および試作評価(新神戸電機)
混合正極と非晶質炭素負極を組み合わせた8 Ah電池を設計し、25℃、0.5 Cのサイクル試験を行った。混合正極の適用により、初期エネルギー密度とサイクル容量維持率を向上させる見通しを得た。環境温度25℃、充電深度10~90%にて8 Ah電池の充放電サイクル試験を開始し、6000サイクル経過時点で86%の容量維持率を得て、目標(10年相当2000サイクル時点で60%)を達成した。
さらに上記電極仕様を利用して100 Ah級単電池を設計、製作し、0.5 C放電にてエネルギー密度106 Wh/kgを得て、目標100 Wh/kgを達成した。また、単電池の濫用試験(釘刺し試験)を実施し、破裂・発火なしを確認した。上記単電池12直列からなる5kWモジュールの機械強度等の構造設計を進め、モジュール性能試験より容量3.8 kWh、出力30 kW、体積エネルギー密度125 kWh/m3を得て、目標(5 kW以上、50~200 kWh/m3)を達成した。
(4) 電池運転制御システムの開発(日立製作所)
各種既存蓄電システムの負荷特性を調査し、電池制御アルゴリズムのシミュレーション環境の基本設計を行った。既存蓄電池データの等価回路モデルをベースとした放電カーブモデルを構築し、制御ソフト評価用基板を試作し、20 MW蓄電システムの簡易評価を行った。さらに、内部抵抗等の電池データに基づく充電深度(State of Charge)の基本演算処理のモデル化を進め、電池の分極特性に対応するSOC演算処理を追加した電池状態検知アルゴリズムを開発し、シミュレーション環境下で正常動作を確認した。この演算処理ソフトを用いたBPC(バッテリパックコントローラ)とその上位コントローラの基本設計を行い、各コントローラを連携させたソフトウェアの正常動作を検証した。
5 kWモジュール制御をおこなうためのBMC(モジュール制御回路)の基本設計を行い、5kWモジュール制御回路(BMC)をモジュールに搭載して過電圧に対する保護動作を確認した。
英文要約 (1) Development of battery materials (Hitachi, Ltd.)
We developed manganese cathode materials coated with novel HF-resistant oxides. The cathodes were coated with several types of oxides such as AOx, Box which are composed with elements A, B and C except for Mn. Cycle life of the cathodes was improved by an optimization of the amounts of the oxides. Furthermore, method of coated manganese cathodes was developed to 100 g batch production from a few grams batch one by means of the process optimization. As a result of that, manganese dissolution from the cathodes was suppressed by 60% as compared with pristine cathodes. The capacity retention of coated manganese cathodes after 1000 cycle increased higher by 4% than the pristine cathodes.
Anodes of graphite were developed to improve energy density and cycle life of lithium ion batteries. Adhesive property of graphite anode layer onto a current collector was improved by Taguchi method (Quality engineering proposed by Genichi Taguchi). The adhesivity was twice as strong as that of anodes before the improvement. The improved anode exhibited capacity retention of 700 charge-discharge cycles higher by 30% than the pristine anode.
Composition of solvents and additives of electrolytic solutions were also investigated. Increase of ratio of cyclic carbonate solvents to chain-like carbonate solvents leaded an improvement of cyclability of lithium ion batteries.
(2) Investigation and evaluation of battery design (Hitachi, Ltd. and Shin-Kobe Electric Machinery Co. Ltd.)
Lithium ion batteries of 1 Ah were manufactured using cathodes with a mixture of spinel-type manganese oxide and a layered material (cited as “mixed cathode” hereinafter) and carbon anodes. These batteries exhibited a capacity density higher by 10% than a spinel-type manganese cathode. Graphite anodes were investigated except for amorphous carbon anodes. Anodes of graphite or graphite mixed with amorphous carbon increased energy densities of batteries. These anodes were applied to 8 Ah batteries.
Next, estimation method of battery life was developed examining 8 Ah batteries with the mixed cathodes and the amorphous carbon anodes. A capacity fade equation of batteries was found to be the summation of the rate of capacity decrease at 50% SOC (State of charge) retention and the rate of capacity decrease during charge-discharge cycles. We demonstrated that the cycle life was almost exactly estimated from the equation at temperatures between 25 and 45 ℃.
(3) Design of lithium ion batteries and evaluation of their performances (Hitachi, Ltd. and Shin-Kobe Electric Machinery Co. Ltd.)
Lithium ion batteries of 8 Ah were designed and produced using the mixed cathodes and amorphous carbon anodes, and their charge-discharge cycle tests of 0.5 C rate were conducted at 25℃. Initial energy densities and capacity retention ratios of their batteries were improved owing to the mixed cathodes.
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