成果報告書詳細
管理番号20120000000467
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 高容量電池の研究開発
公開日2012/6/27
報告書年度2007 - 2011
委託先名日産自動車株式会社
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1.高性能正極材料の研究開発
 中間目標(初期容量280mAh/g、寿命300サイクル(80%))を設定して、3年後に一つを選択することにして次の3種類の正極の可能性を検討した。
(1) 固溶体系正極Li2MnO3-LiMO2 (M: Ni, Mn, Co):研究開発の一部を神奈川大学に再委託して進め、詳細な結晶構造、電子構造、反応機構、劣化機構を解明してサイクル耐久性改善につなげ3年後の正極目標を達成して、以後の検討のための正極とした。更に活物質と電極の諸条件を検討して、正極の最終目標(初期放電容量:300mAh/g、1000サイクル後の容量保持率:80%)を達成した。
(2) 珪酸塩系正極Li2MSiO4(M:遷移金属):調査及び第一原理計算結果から、遷移金属2電子酸化体の構造的不安定性が一般的であると考えてこの系を諦めた。
(3) 遷移金属4配位系正極Lin MO4(M:遷移金属):東京工業大学へ再委託し、ユニークな合成方法と高度な結晶構造解析により多くの新しい系に挑戦した。結果として3年後の正極目標をクリヤーできなかったが、新規系へ繋がる興味深い結果を得た。
2. 高性能負極材料の研究開発
シリコン負極のサイクル劣化の問題を正確に把握してサイクル耐久性を向上するために、Si薄膜での基礎検討、Si粒径、導電助剤種、バインダー種類、電極組成、電極での材料の分散性などを変えての地道な実験を進めた。これと平行して、コンビナトリアル薄膜電極作製装置を試作して、広範な組成のSi合金負極作製を効率的に進めた。更に、試作した大量の電極の効率的評価のために、コンビナトリアル電気化学測定システムを試作して活用した。これらの実験結果から、負極の目標である初期容量800mAh/gで寿命1000サイクル(80%容量保持)を満足する系を見出した。
3. コンピューターシミュレーションシステム開発と適用
 1.第一原理計算による固溶体系正極材料のX線吸収スペクトルのシミュレーションにはじめて成功した。2.珪酸塩系正極材料に関して第一原理計算を実施して、2電子酸化状態の本質的不安定性を理解して、この系の高容量化を諦めた。
4. 電池試作評価
(1)セルのエネルギー密度:前記正負極の検討結果を用いて、車両用電池の設計法に基づいてセルのエネルギー密度を算出した結果、300Wh/kgを越える電池をできることがわかった。
(2)セル出力密度:小型ラミネートセルを試作して、SOC50%での定電流での10秒後の最大出力(放電カットオフ2.0V)が重量出力密度で3253W/kgとなり、最終目標(3125W/kg)を達成できた。
(3)サイクル耐久性:前述の正負極の結果に加えて、黒鉛の併用、種々の改良、更にリチウムプレドーピングを適用することによりサイクル耐久性は大幅に改善され、プレドーピング無しでみられたルート則からみて最終目標(1000サイクル後の容量保持率80%)を達成する見通しである。
(4)コスト:車両用電池のデザインと公開された各種電池構成材料の価格から、本委託研究におけるセル性能を達成したセルのコストは、\20,000?25,000/kWhと試算できた。
(5)安全性:車載時の濫用に耐える実証として、1Ah級の満充電状態のラミネートセルの釘刺し実験を実施した。発火及び破裂等の異常は発生せず、目標を達成できた。
英文要約1. Research and development of high performance cathodes
Three cathode materials were studied toward the mid-term target (initial capacity:280 mAh/g, capacity retention after 300 cycles: 80 %). After three years, one of them was to be selected for further R&D.
Li-rich solid-solution layered cathode, Li2MnO3-LiMO2 (M = Ni,Mn,Co): The research for this cathode material was partly shared with Kanagawa Univ. under a subcontracting agreement. The mid-term target was achieved, and this cathode was selected for further R&D. In the next two years, we achieved our final target (initial capacity 300 mAh/g, capacity retention after 1000 cycles: 80 %),.
Transition metal silicate cathode (Li2MSiO4:M=transition metal): We discarded this cathode because of intrinsic instability of doubly charged state.
Transition metal MO4 tetrahedral cathode: Lin MO4(M:= transition metal): Tokyo Institute of Technology aggressively carried out this research under a subcontracting agreement, and found several important new results although the mid-term target was not achieved.
2. Research and development of high performance anodes:
In parallel with basic research for Si anodes, we developed combinatorial synthetic and electrochemical test equipments to efficiently synthesize and characterize many different kinds of Si-alloy anodes. As a result, we achieved our final target (initial capacity: 800 mAh/g, capacity retention after 1000 cycles: 80 %).
3. Development of computer simulation systems and their applications:
We succeeded in simulation of XANES spectra for Li-rich solid-solution layered cathodes, and our first principle calculation for Li2MSiO4 indicated its intrinsic instability of doubly oxidized states, and we discarded this cathode.
4. Cell fabrication and evaluation of the properties
(1) Specific energy: Using the above mentioned Li-rich solid-solution layered cathode and Si-based anode, the specific energy of a cell was evaluated to be more than 300 Wh/kg.
(2) Specific power: The maximum specific power for a small pouch cell after 10 sec at 50 % SOC under constant current conditions of 2.0V cut off voltage was evaluated to be 3253W/kg, which is more than our target, 3125W/kg.
(3) Cycle life: To improve cycle life of a cell consisting of the above mentioned cathode and anode, the following measures were further taken: mixing of graphite, optimization of many factors and lithium pre-doping. As a result, the cyclic durability of a cell has been much improved and, the capacity retention after 1000 cycles is going to exceed our target of 80 %.
(4) Cost: The cell cost was evaluated to be \20,000?25,000/kWh for our high energy cell by using our designing method for an EV cell and published battery material cost data.
(5) Safety: Abuse tolerance of an assumed on-board battery was examined by nail penetration tests for 1 Ah class pouch cells at fully charged state. Neither fire nor explosion was observed.
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