成果報告書詳細
管理番号20120000000466
タイトル平成19年度~平成23年度成果報告書 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 高耐久形高容量・高出力リチウム二次電池の研究開発
公開日2012/6/29
報告書年度2007 - 2011
委託先名パナソニック株式会社エナジー社
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約次世代自動車プラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, P-HEV)用の高安全・長寿命・高入出力リチウムイオン電池を開発することを目的として、電池材料の要素技術開発と、それら要素技術を導入した単電池、0.4kWh級電池モジュール、および3kWh級電池システムの研究開発を行った。
本プロジェクトの目標である、高いエネルギー密度と長寿命の実現のために、正極材料および負極材料の高性能化を図った。
前プロジェクトである「燃料電池自動車等用リチウム電池技術開発/車載用リチウム電池技術開発」で開発したNi系正極活物質に対して、組成・粒子形状・合成プロセスの最適化、および、表面処理技術を導入し、高容量でかつ出力特性、耐久・保存特性に優れたNi系正極材料を開発することができた。
一方、負極材料については、種々の黒鉛材料、Ti-Si合金/黒鉛複合材料、Si薄膜を検討し、粒子径・表面修飾構造を最適化した黒鉛材料が、高容量であり、かつ幅広いSOC (State of charge, 充電状態 )および温度範囲において入出力特性と耐久性に優れることを見出した。本プロジェクトで開発された高性能材料を用い、電極群設計(エネルギー密度と入出力特性・耐久性のバランス、内部短絡・過充電安全性の向上)と機構設計(品質安定性、振動・衝撃信頼性、外部短絡・過充電安全性の向上)を検討し、エネルギー密度、出力密度、エネルギー変換効率、寿命、安全性(IEC 62660-2準拠)の全てにおいて、自主目標を達成する11Ah級単電池を開発した。
また、評価セルの解体分析調査により、容量劣化要因と出力劣化要因を特定し、劣化メカニズムの解明に目処を立てた。
加えて、長期耐久性評価および加速評価法の検討を通じて寿命推定法を開発した。そして本開発電池の耐久性を検証し、寿命10年以上の見通しを得た。上記11Ah級単電池を10直列1並列で構成した0.4kWh級電池モジュールについては、電気化学特性に加え、耐振動・衝撃性や膨れ抑制を考慮して構造部材の検討を行い、高い信頼性(ISO 12405-1準拠)と生産性を有した電池モジュールを開発することができた。また、本電池モジュールの評価結果を基に、電池モジュール8直列で構成した小型かつ軽量な3kWhパックを、強度と放熱性を考慮して設計し、モックアップを作製した。
この開発した3kWh級電池パックは、本研究開発の目標(重量エネルギー密度100Wh/kg、体積エネルギー密度120Wh/L、重量出力密度2,000W/kg、体積出力密度2,400W/L、寿命10年、充放電効率95%)を満たすものであった。
また、パック価格に関しては、電池材料・モジュール部材の直材費低減、製造コスト見直し、合理化等を要素技術開発と同時に進めることで、目標の40,000円/kWh(100万パック/年生産時)の目処を得た。
一方、モジュール・パック電池開発と並行して、各単電池の充放電挙動を制御するための電池管理システムについても検討し、モジュール用ECUの設計、信頼性評価、および、電池モジュールへの実装による電池管理システムの制御ロジックの検証を完了し、3kWh級電池システムの仕様を確立した。
英文要約In order to attain high performance Li ion battery for next generation vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, we have carried out research and development of fundamental technologies for battery materials.
And, we have carried out the development of a single-cell was introduced those fundamental technology, of 0.4kWh class battery module and of 3kWh class battery system. To achievement of the final target for this project, we have improved and optimized positive and negative electrode materials. We developed a Ni-based positive electrode material having higher characteristics and durability by optimizing composition, particle shape, synthesis process and surface treatment of Ni-based material.
On the other hand, for the negative electrode material, we investigated various graphite, Ti-Si alloy/graphite composite and Si thin film. And we found that the graphite negative electrode material with optimized the particle size and the surface modification structure was higher characteristics and durability in a wide SOC and temperature range. Using improved high performance battery materials, we investigated the design of electrode group with a balance of energy density, power characteristics and durability, and mechanical parts with production quality stability, reliability against vibration and shock and safety.
Thus, we developed 11Ah class single cell to achieve our all performance target of energy density, power density, energy conversion efficiency, longer life and safety (conform to IEC 62660-2). And, we identified the capacity and power degradation factors by analyzing evaluated cells, and found out the cause of battery characteristics degradation. In addition, we developed a method to estimate life time through long term durability estimation and study on accelerated evaluation. And to verify the durability of our lithium ion battery developed in this project, we got the prospect of life more than 10 years. We developed 0.4kWh class battery module having a high reliability (conform to ISO 12405-1) and productivity by evaluation of electrical performance and investigation of the structural parts considering the resistance of vibration and impact, and the suppression of swelling. Our developed 3kWh class battery pack was achieved target of this project (energy density 100Wh/kg, 120Wh/L, power density 2,000W/kg, 2,400W/L). Also, in point of battery pack cost, we got the prospect of \40,000/kWh target when produced a million battery packs per year. Furthermore, we investigated the battery management system for controlling the charge and discharge behavior of each single cell, in parallel with the development of battery module and pack. And we completed the designing and the reliability evaluation of electrical control unit for the battery module and the verification of control logic by implementing a battery management system to the battery module, and established the specification of 3kWh class battery pack system.
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