成果報告書詳細
管理番号20120000000450
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2014/4/1
報告書年度2007 - 2011
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I. 単電池開発
1)-1 材料の研究開発
 正極材料としてはNi-Mn-Co系正極を主要な研究対象として材料探索を進め、Ni含有量が60%以上の組成領域で高容量と高出力が両立できるとの知見を得た。さらに、種々の異種元素の置換効果を研究し、正極材料の構造安定性及び熱安定性の向上を確認した。一方、負極材料は高容量化に有利である黒鉛材料の高出力化を目指し、微細化、エッジ面の発達した構造にするなど黒鉛粉末の形状制御を行い、高容量かつ高出力な黒鉛材料を開発した。
 電解液においては電池の信頼性向上を図るため、分子軌道法を駆使した過充電抑制添加剤の探索および電解質塩濃度の適正化を進めた。これらの検討結果を反映させた小型電池で、過充電抑制添加剤による安全性の向上および塩濃度の高濃度化によるサイクル劣化の抑制を検証した。また耐熱セパレータも検討し、実規模電池に適用可能な技術であることを小型電池で確認した。
 1)-2 電池適用技術の研究開発
 上記材料の改良・開発成果を元に、Ni-Mn-Co三成分系正極と黒鉛系負極の適用検討として、電極厚みと組成、密度を最適化した。これらの改良により、平成21年度の実規模単電池の敷性能として質量エネルギー密度115Wh/kg、質量出力密度2500W/kgの中間目標を達成し、平成22年度には同じく120Wh/kg、2500W/kgの最終性能目標を達成した。また寿命特性に関しては、負極電極仕様と電解液添加剤仕様の最適化を実施し、プラグインハイブリッド電気自動車の走行を模擬した寿命評価の結果、最終目標値の10年寿命を超える見通しを得た。安全性に関しては、耐熱性セパレータと電解液添加剤、および下記の電池構造の最適化により安全性を向上し、IEC62660-2に準拠した安全規格を満足することを確認した。
 2) 単電池構造の研究開発
 単電池構造は質量エネルギー密度、質量出力密度の目標性能を達成するために、軽量化できる構造を検討するとともに、安全性を確保するために内圧解放機構を最適化した。さらに部品構成の最適化、溶接工程のタクト低減などにも取り組み、コスト低減についても種々検討した。
II. モジュール構造の研究開発
 300Wh級モジュール電池の構造設計では、コンピューターシミレーションによる熱流体解析及び線形応力解析により十分な冷却性、強度を持つこと確認した。またISO12405-1規格に準拠した信頼性試験により、車載における十分な耐久性を有することを確認した。
III. 組電池の研究開発
 上記と同じくコンピューターシミレーションを活用し、3kWh級組電池の設計を検証し、十分な冷却性、強度を持つことを確認した。さらにモックアップを作製し、実測重量等から組電池の開発目標である質量エネルギー密度100Wh/kg、質量エネルギー密度2000W/kgを達成することを確認した。
IV. 電池の評価解析研究
 高温保存試験、サイクル試験後の実規模単電池の非破壊劣化解析をした結果、正負極の作動電位範囲のずれが主な劣化要因であることを明らかにした。さらに、解体分析した結果、出力の劣化は正極活物質粒子の構造変化や負極皮膜の成長に起因するものであることを明らかにした。
V. 経済性評価
生産台数を100万パック/年と想定し、3kWh組電池のコスト試算を行った結果、コスト目標\40,000/kWhを達成する見通しを得た。
英文要約I. Development of Cell
1). Development of Cell Materials
We developed a positive electrode material of lithium ion battery for plug-in hybrid vehicle. 4V-class high Ni contained layered Ni-Mn-Co oxides (LiNi1-x-yMnxCoyO2) become promising candidates in terms of both energy density and rate capability. In this study, the material was designed in terms of the relationship between capacity and structural stability for charging, as a function of Ni content.
Graphite was focused as a negative electrode material. In this study, we tried to control the reaction surface area and the surface ratio of edge plane in order to optimize rate capability and durability.
Researches for other materials, such a separator and electrolyte were also carried out in terms of cell life and thermal stability for large size cell. In addition, we quested for electrolyte additives having an overcharge protection function.

2). Development of Cell Structure
Cell structure was considered to have both durability and strength under vehicle application. In order to release the gas with reliability and safety, we designed the bent size and shape. The parameters of electrode, being their composition and thickness, and density, were optimized for high energy density cell for PHEV use. As a result, we designed a basic cell specification for 15Ah-calss cells showing 120 Wh/kg and 2500 W/kg at 50% SOC, 25 oC. In a life simulation test for PHEV use, the cell life was estimated to be more than 10 years of the final life target for this project. We also confirmed that the cell satisfied safety issues in all specifications of IEC62260-2.

II. Development of Battery Module
A 300 Wh-class module was developed. In main considerations of the cell swelling and cooling, the cell layout was designed based on the simulation results of thermal fluid analysis and linear stress analysis. Our module was evaluated by vibration tests based on ISO 12405-1, and was satisfied in all issues.

III. Development of Battery Pack
In order to estimate the performance of 3kWh-class battery pack, we prepare a design model based on the simulation result. From the results, our battery pack accomplished the performance of 100 Wh/kg and 2000 W/kg of the final target for this project.

IV. Study for Mechanism of Cell Life Degradation
We studied mechanism of cell life degradation by both a detail shape analysis of discharge curve and material analysis. From results, the degradation in capacity was caused by change in capacity balance between positive and negative electrode. The degradation in power after cycle and storage test was caused mainly by mechanical damages of the positive electrode material and SEI growth of the negative electrode material, respectively.

V. Cost Estimation
In assumption of 1,000,000 pack / year-scale production volume, our battery pack cost is estimated. The estimated cost meets to the cost target for this project(less than \ 40,000/kWh).
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