成果報告書詳細
管理番号20110000000337
タイトル*平成21年度中間年報 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発/要素技術開発/高出力可能な高エネルギー密度型リチウムイオン電池の研究開発
公開日2012/6/27
報告書年度2009 - 2009
委託先名日立ビークルエナジー株式会社/株式会社日立製作所
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約1.委託研究開発の内容及び成果等
1.1 単電池開発
1) 材料の研究開発((株)日立製作所担当)
正極材に関して、Ni-Mn 系材料の熱安定性の向上について検討した。充電状態の材料において、昇温による遷移金属元素の価数変化をXAFS で調べた結果、250℃以上においてNi の価数は大きく低下すること、Mn の価数は低下が小さいこと、Co の価数はNi 量80%の材料において大きく低下することが分かった(図1)。この価数変化とこれまでにX 線回折で調べた結晶構造変化(図2)とから、層状構造からスピネル構造、さらに岩塩型構造へ変化する際に、それぞれNi およびCo の価数が低下して結晶構造の安定性が低下するものと推定した。この検討結果を基に、Ni、Mn および Co よりも酸素との結合力が強い元素を選択し、岩塩型構造への変化に関与しているCo と置換して正極材を合成した(元素置換正極材)。その材料のDSC を測定した結果、発熱開始温度が高温化することを確認した。これらの正極材を用いて18650 型電池を試作して50℃における保存性能を評価した結果、元素置換正極材を用いた電池の抵抗上昇は無置換材よりも小さく、出力劣化が抑制されることが分かった(図3) 。
負極材に関して、黒鉛材料の寿命特性と高入出力特性とを向上させるために、比表面積の低減とエッジ面率の増加とを検討した。H21 年度仕様の黒鉛の比表面積は、H20 年度およびH19 年度のものに対して各々約60%および約20%にまで低減でき、粉砕に伴う劈開が減少して粒子厚さが増大したため、エッジ面率も増加した。この材料は10C 放電時に300mAh/g 以上の容量を有し、出力特性にも優れた材料であることが分かった(図4)。
2) 電池適用技術 (日立ビークルエナジー(株)担当)
1.1-1)で開発された新規負極材料を電極および実電池へ適用するために、負極設計および電池設計を実施し、性能を評価した。その検討結果をもとに、10Ah 級単電池の試作に適用した。また、更なる高エネルギー密度化と同時に電極基体への接合強度および塗布性を向上するために、電極組成の適正化および新規結着材の適用検討を行なった。
英文要約Achievement for 2009 FY

Hitachi, Ltd.
Hitachi Vehicle Energy, Ltd.

Development of Advanced Battery System Technology for Next Generation Vehicles
Development of Component Technology
Research and Development for High-Energy-Density Lithium Ion Battery with High-Power Capability

1.1 Development of Single Cell
1) Development and Improvement of Materials (Hitachi, Ltd.)
As for positive active materials, improvement of thermal stability of Ni-Mn based ones has been investigated. The valence change of transition metals in charged materials has been examined with XAFS method. Large decrease in valences of both Ni and Co and little change of Mn were observed. According to the phase change study with XRD pattern, it was deduced that the phase changes from layer to spinel and to subsequent rock-salt structure were caused by the valence decrease in Ni and Co, respectively. Ni-Mn based materials substituted with new foreign elements, that have higher binding force with oxygen than Ni, Mn and Co, were synthesized and their DSC profiles suggested an improvement of stability by higher-shift of the heat-generation temperature.
As for negative active materials, improvement of durability and power capability of graphite has been investigated. A decrease in the surface area and an increase in the edge ratio have been examined. The material used in FY2009 achieved 40% decrease in the surface area from that in FY2008 and its edge ratio was also increased. That would also improve the power capability as it showed the discharge capacity of more than 300 mAh/g at 10C rate.
2) Battery Application Technology (Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
A new electrode and cell design has been carried out to apply the new material developed in 1.1-1) into FY2009 10 Ah-class cell. An optimization of electrode compositions and an application of new binder materials have been investigated in order to improve the energy density and adhesion to electrode substrates.
1.2 Research and Development on Single Cell Structure (Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
Further efforts have been applied to improve the 10 Ah-class cell structure by combining various test results on the cells in FY2007 and FY2008. FY2009 10 Ah-class cell showed the rated capacity of 15.3 Ah, the energy density of 121 Wh/kg and the 10 s power density of 2,900 W/kg at 50% SOC (State of Charge). Our annual target for FY2009, 115 Wh/kg and 2,500 W/kg, was thus achieved.
1.3 Research and Development on Module Structure (Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
Strength analysis of FY2008 module structure for 300 Wh-class module with 8 single cells has been carried out and confirmed the enough strength. According to the above result, FY2009 300 Wh-class module has been manufactured. The energy density was 107 Wh/kg and the 10 s power density at 50% SOC was 2,400 W/kg. Our annual target for 2009 FY, 105 Wh/kg and 2,200 W/kg, was thus achieved.
1.4 Evaluation and Analytical Research of Cells (Hitachi, Ltd., Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
The cycle life evaluation with the simplified PHEV charge-discharge profile and storage test for 10Ah-class cells have been continuously carried out. FY2008 cell showed improved cycle performance than that of FY2007 one.

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