成果報告書詳細
管理番号20120000000488
タイトル平成22~23年度成果報告書 蓄電複合システム化技術開発 要素技術開発 ビルPV用蓄電システムの研究開発
公開日2012/8/11
報告書年度2010 - 2011
委託先名三菱電機株式会社
プロジェクト番号P10008
部署名スマートコミュニティ部
和文要約高頻度の入出力動作に対応可能な蓄電デバイスを目指し、複合型蓄電デバイスを開発した。複合型蓄電デバイスは、高容量蓄電部と高入出力蓄電部をセル内部で融合させたもので、リチウムイオン電池部(Lithium Ion Battery:LIB)とリチウムイオンキャパシタ部(Lithium Ion Capacitor:LIC)を複合化させている。複合型蓄電デバイスは、共通負極と2種類の正極を持っているのが特徴であり、また、高入出力をキャパシタ部が受け持つので、リチウムイオン電池部の劣化を抑えてサイクル寿命を延ばす効果が得られる。共通負極、正極等の開発や、セパレータの評価など、複合型蓄電デバイスの個々の要素部品の開発を進めると共に、参照電極を用いた電位解析を実施し、共通負極へのリチウムドープの現象の理解や、リチウムイオン電池部の延命効果についての理解を深めるための研究開発を行った。また、10Wh級セルの設計および試作のために、アルミラミネート容器を使用することを前提に、ガス抜き弁の設計・試作を行い、積層型のセル構成を開発して、最外層にキャパシタ部を配置することで、高エネルギー密度化を行った。共通負極の開発については、負極材料の選定及び負極の試作や共通負極にリチウムイオンをドープするための貫通穴を設けるため、切歯ロールを用いた穿孔試験を実施した。また、参照極を用いて、リチウムのドープ挙動を調べ、適切な条件を選定した。正極の開発については、LICおよびLIB側の正極材料を選定し正極の試作を実施した。LIB正極には入出力特性の良好なリン酸鉄リチウムを用いることとした。セパレータの評価を実施して、セルロースセパレータを選定した。複合型蓄電デバイスの開発については、小型単セルを用い放電負荷特性やLIC部、LIB部の電流測定を行って、最適化開発を進めた。また、多極Reference付セルによる電流分担と電位挙動の調査を実施し、LICとLIBの電流の分担と充放電時の面内の電位挙動を明らかにした。30mm角の電極を用いて共通負極を2層積層した要素試験セルを作製し、7.5Cの電流レートでのサイクル寿命は1000サイクルで90%と平成22年度の目標を達成した。大型化に際して、エネルギー密度を高めるのに巻回形よりも積層形の方が有利と判断し、積層形の複合型蓄電デバイスセルの研究開発を実施した。10Wh級セルの設計及び試作については、ガス抜き弁が必須と判断し、逆止性に優れた弁を適用し、アルミラミネートフィルム製の容器に封入した10Wh級の複合型蓄電デバイスセルを試作し性能を確認した。その結果、中心部をLIB構造とし、最外層のみLICとすることによって重量減、高容量化が計れ、10Whの容量と74Wh/kgのエネルギー密度が得られた。この値は、以前三菱電機で扁平巻回形の10Wh級セルで達成していた60Wh/kgを大きく上回る数値であった。また、出力密度もLIC単独に比べて大きく上回っており、持続力と瞬発力を両立した複合型蓄電デバイスに一歩近づき、正極材料をリン酸鉄リチウムよりもエネルギー密度の高い材料にできれば、100Wh/kgを越える高いエネルギー密度と高い出力密度を備えた長寿命な複合型蓄電デバイスを構築することも夢ではないことを示すことができた。
英文要約Title:Development of electric energy storage hybrids systemization technology. Elemental technology development. Research and development of a power storage system for solar cells on the roof of a building. (FY2010) Final Report. A novel hybrid energy storage device (HLIC: Hybrid Lithium Ion Capacitor) was developed for the power storage system for solar cells on the roof of a building. The HLIC combined a lithium ion capacitor (LIC) element and a lithium ion battery (LIB) element in the electrode components. It has a negative electrode and two positive ones. The common negative electrode including an negative electrode collector foil having a through-hole. The two positive electrodes are; the first positive electrode containing particles of activated carbon and the second positive electrode containing particles of a lithium-containing metal compound (LiFePO4) as an active material. (1)Electrochemical Study of a HLIC. A HLIC cell which has a common negative electrode and two set of AC and LFP positive electrodes were studied using eight reference electrodes embedded around the common negative electrode. The electric current through the AC1 and LFP1 was measured separately by using two ammeters. The AC2 and LFP2 were not connected. Sharing of total current to the AC1 and LFP1 positive electrodes was occurred during charge-discharge tests. The sharing of current can be one of the life-extending effects of the HLIC. The potentials in the horizontal plane of the AC2 and LFP2 side were uniform during the charge-discharge tests, but a little change was observed at the area close to the AC1 and LFP1. (2)Development of the common negative electrodes. The movement of the lithium ion which penetrates the pole of the common negative electrode was studied by the change of the potentials of the negative electrode located in the rear of the common negative electrode. Several carbon materials were evaluated and a graphitized carbon was selected for the electrode materials of the common negative electrode. (3)Development of the positive electrodes. Activated carbon materials were evaluated for the LIC positive electrode, and lithium-containing metal compound materials were evaluated for the LIB positive electrode. (4)Development of a 10Wh class hybrid lithium ion capacitor. A HLIC (LIC and LIB, alternately) cell which had stacking structure was manufactured using the developed technology. High power rate performance was obtained with the cell. Newly, a HLIC 10Wh class cell with stacking structure which arranged LIC only to top and bottom was manufactured and was stored in an aluminum laminating container. Energy storage of 10Wh and the energy density of 74Wh/kg were obtained with the cell.
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