成果報告書詳細
管理番号20110000000860
タイトル*平成22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2012/7/10
報告書年度2010 - 2010
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単電池の研究開発
1) 材料の研究開発((株)日立製作所担当)
正極材に関して、電池の安全性向上を目的に異種元素置換による熱安定性の向上を検討した。充電状態の正極を電解液とともに加熱した時の発熱挙動を示差走査熱量測定(DSC)により調べた結果、H22年度検討の元素Cは発熱抑制の効果が大きく、発熱ピークの最大値が大幅に低減した(図1)。DSCで観察された発熱は正極から放出された酸素と電解液の反応であると考えられる。また正極からの酸素放出は、加熱した時の結晶構造変化(層状→スピネル→岩塩)と密接に関わっており、スピネル構造から岩塩構造への変化の時に多量の酸素を発生すると考えられる。そこで、加熱した時の正極のX線回折による結晶構造解析をおこない発熱低減の要因を検討した結果、置換していない材料および元素A、Bで置換した材料は、温度上昇に伴い、層状→スピネル→岩塩と結晶構造が変化したのに対し、元素Cを置換するとスピネルから岩塩への結晶構造変化が抑制されており、このことがDSCでの発熱低減に関与していることを明らかにした(図2)。以上の結果から、元素Cを置換した正極材料は、熱安定性の向上が期待できる有望な材料と考えられる。
また、過充電における高安全化を図るために、電解液への添加剤として芳香族系化合物を検討した。1M LiPF6/EC+DMC+EMC(1:2:2)をベース電解液としこれに0.1Mの添加剤を加え、サイクリックボルタモグラム法(CV)によって分解開始電位(Est)と最大分解電流(Imax)を調べた(図3)。ここで、Estは、リチウムイオン電池の充電電圧より高い4.5?5.0Vの範囲が適していると考えられる。Imaxが大きいものは、自己分解等の電気化学反応に電流が消費され、過充電の抑制効果が高いことが期待される。数種類の芳香族系化合物を評価した中で、Estが適した電位範囲にあり、Imaxが大きい<1>は、過充電抑制効果が期待できる添加剤と考えられる (図4)。
英文要約Achievement for 2010 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, an addition of component C into Ni-Mn based materials showed a large decrease in the exothermic heat flow with DSC measurement. Its effect was supported by the XRD study of charged materials that showed a phase change from layer to spinel structure but not to a subsequent rock-salt structure.
As for additives into electrolyte solutions, various kinds of aromatic compounds have been added into a base electrolyte solution and their potential and current of decomposition reactions have been measured. The compound (1) showed higher potential than the charge-set voltage of LIB and a large current. That would be a promising candidate as the electrolyte additives applicable to 10 Ah-class cells.
2) Battery Application Technology (Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
In order to apply the new positive material and electrolyte additive developed in 1.1-1), investigation of new electrode and cell design and manufacturing methods has been carried out and obtained technological knowledge. An optimization of negative electrode materials and a development of low-resistance separator have been investigated to improve the cell performance further.
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 performance by combining various test results in the past years. FY2010 10 Ah-class cell showed the rated capacity of 16.3 Ah, the energy density of 129 Wh/kg and the 10 s power density of 3,100 W/kg at SOC 50%. Our annual target for FY2010, 120 Wh/kg and 2,500 W/kg, was thus achieved and showed a clear view of the final target.
1.3 Research and Development on Module Structure (Hitachi Vehicle Energy Co., Ltd.)
FY2010 300 Wh-class module has been manufactured with FY2010 10Ah-class cells. The energy density was 113 Wh/kg and the 10 s power density at SOC 50% was 2,500 W/kg. Our annual target for 2010 FY, 110 Wh/kg and 2,200 W/kg, was thus achieved and showed a clear view of the final target.
1.4 Evaluation and Analytical Research of Cells (Hitachi, Ltd., Hitachi Vehicle Energy, Ltd.)
A 18650-type test cell with an aromatic compound (1) showed improved safety performance without causing fire at the overcharge test.
The cycle life evaluation with the PHEV charge-discharge profile and storage test for 10Ah-class cells have been continuously carried out. FY2009 cell showed improved cycle performance than that of FY2008 one at the storage condition with SOC 50% at 50 degree C.

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