成果報告書詳細
管理番号20120000000665
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 高出力・高安全性リチウムイオン電池の開発
公開日2012/6/27
報告書年度2007 - 2011
委託先名第一工業製薬株式会社 学校法人関西大学 エレクセル株式会社
プロジェクト番号P07001
部署名スマートコミュニティ部
和文要約プラグインハイブリッド車、電気自動車等の早期実用化へ貢献するために高出力・高安全性リチウムイオン二次電池の開発を目的とした。この目的を達成するためにビス(フルオロスルホニルイミド)(以下FSI)系イオン液体を主体とする新規電解質材料の開発とリチウムイオン二次電池への適用における研究開発を推進した。同材料を適用することで従来のリチウム電池と比較して飛躍的な安全性と信頼性の向上と、また同時に同用途への実用化に対応する高入出力特性・高寿命が可能な電池の各構成材料の開発、電極・セル設計等の研究開発を実施した。
第一工業製薬株式会社ではFSIアニオン系イオン液体について、分子軌道計算を用い、エネルギー順位を考慮することで電解液として使用する上での耐酸化還元性を評価した。その結果、1-エチル-3-メチルイミダゾリニウム(EMIm)カチオンよりLUMO準位が高いカチオンとして2-メチル基を持つイミダゾリニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのLUMO準位が高いことが分かった。さらに、 EMImカチオンもLUMO準位が高いことも分かった。また、新規カチオンの探索として、不飽和結合をもつアリル基を導入したカチオンからなるイオン液体を作製した。1-アリル-3-エチルイミダゾリニウム(AEIm)-FSIはイオン導電率および粘度がEMIm-FSIと同等でありながら、融点が-46 ℃に低下することを見出した。
学校法人関西大学では高容量LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、高電圧作動可能な新規LiNi0.5Mn1.5O4正極にイオン液体系電解液を用い、イオン液体のカチオンを選定することで良好なセル性能が得られることを見出した。また、これと並行して、炭素系負極および高容量タイプの合金系負極としてSi-C/Niコンポジット電極を検討し、十分な可逆性が得られることを見出した。また、FSI系イオン液体が示す充放電挙動に対する優位性について、メカニズムの解明にも成功した。さらに添加剤の検討などにより、高性能な電池特性の可能性を示すことができた。この可否の情報をエレクセル株式会社に提供し、フルセル構築の材料選定に活かした。
エレクセル株式会社では学校法人関西大学、および第一工業製薬株式会社で行った種々の検討の結果をフィードバックし、最も有効であった構成材料・処方の組み合わせによって容量1.5Ah(重量エネルギー密度125 Wh/kg)のセルを作製した。セル部材やセパレーターの最適化を行った結果、I-V試験方法にて重量出力密度3130 W/kgを達成した。また、安全性評価の1つとして過充電試験を実施した。一般的な有機溶媒系ではSOC209 %でセルが開口したのに対し、イオン液体系ではSOC400 %以上充電しても、開口、膨れが観察されず、安全性に優れていることを見出した。
成果を総括すると、コストを除く、出力密度、エネルギー密度、寿命、安全性信頼性について、本技術開発の目標達成の見通しを得ることができた。また、今後の展望として高電圧作動可能なLiNi0.5Mn1.5O4正極や高容量負極であるSi-C/Niコンポジット電極にもFSI系イオン液体電解質の適用が可能であることを実証し、さらなる電池特性の向上が可能であることを見出した。
英文要約Our research and development, which have been carried out from 2007 to 2011 years, have focused on high-power and safe lithium-ion batteries in order to find a possibility for their application to PHEV and EV. To achieve this goal, we have promoted the development of novel ionic liquid electrolytes mainly based on bis(fluorosulfonyl)imide anion (hereafter, FSI) and their application to lithium-ion secondary batteries. We tried to drastically improve safety and reliability by applying FSI-based ionic liquid electrolytes. Also we optimized each constituent (e.g., electrode materials) and battery design to improve their compatibility with FSI-based electrolytes, and hence realized high-power performance and battery durability.
At Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., they performed the molecular orbital calculation of applied ionic species and related energy levels to evaluate oxidative and reductive resistivity of ionic liquids for electrolyte use. It was found that EMI has high LUMO and that 2-methylimidazorium and phosphonium have higher LUMO than EMI. Furthermore, novel ionic liquids containing cations with allyl group as unsaturated functionality were synthesized, e.g., 1-allyl-3-ethylimidazorium (AEIm). AEIm-FSI showed a very low melting point of -46 degree Celsius though it has the almost same ionic conductivity and viscosity as EMIm-FSI.
At Kansai University, they found that promising cathodes, LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2 and LiNi0.5Mn1.5O4, exhibit higher performance in FSI-based ionic liquid electrolytes than in conventional electrolytes. They also found that graphitized anodes and Si-C/Ni composite anodes have not only a satisfied reversibility in EMIm-FSI but also enhanced performance even compared to their performance in conventional electrolytes. This essential origin, which offers high performance to both the cathodes and anodes, was found to be an outstanding low-resistance electrode-electrolyte interface provided by the FSI-based ionic liquids. These results and information were transferred to Elexcel Co. to promote suitable selection of constituents for full-cell assembly.
Based on plenty of result accumulation from both Kansai University and Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Elexcel Co. selected the best constituents and assembled 1.5 Ah-class lithium-ion cells (energy density: 125 Wh/kg). They achieved a high power density of 3130 W/kg based on an I-V test method by optimization of cell configuration and components, e.g., separator. Furthermore, they performed overcharge cell tests as safety assurance. A full cell containing a FSI-based ionic liquid did not suffer swelling and breaks even at deep SOC of 400% while a cell with a typical solvent-based electrolyte was broken at SOC of 209%, suggesting excellent safety of the FSI-based ionic liquid cell.
In summary, this research has achieved the main objectives regarding output power density, energy density, durability, and safety based on FSI-based ionic liquid batteries, and obtained some prospect for their cost. In particular, this research proved the practical application of high-potential cathodes, e.g., LiNi0.5Mn1.5O4 and high-capacity anodes, e.g., Si-C/Ni composite to FSI-based ionic liquids, and, based on these materials, demonstrated promising high-performance battery systems.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る