成果報告書詳細
管理番号20150000000011
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (燃料電池・蓄電池) EV用リチウム系二次電池特性の多重“in-situ”評価法の確立および応用
公開日2015/4/23
報告書年度2011 - 2012
委託先名電動車両技術開発株式会社 国立大学法人東京農工大学
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (燃料電池・蓄電池) EV用リチウム系二次電池特性の多重“in-situ”評価法の確立および応用

研究開発項目1:特性発現因子把握のための基礎実験
 実験用電池試作では、18650型LIBを海外の大手電池メーカより千個購入し、本提案の評価法の確立に使用した。ここで作製したモジュールは角形で、電池の配置、温度制御の確保、制御系の装備を念頭に置き作製し、それを用いてインピーダンス情報をスムーズに取り出すための基礎実験を行った。つぎに、ラボでの計測試験では、FFT装置の13チャンネルでの多重同時評価を行い、その動作確認を行った。また、6チャンネルでの充放電試験およびインピーダンス測定を行うための自動計測システムを開発し、ここで得られたFFT測定データの3D表示化を実現した。さらに、電池構成材料のキャラクタリゼーションおよび電気化学基礎特性の把握では、該セルの構成材料の確認を行うとともに、電位掃引ボルタンメトリー測定法による電極活物質の電気化学的挙動の詳細解析を実施した。さらに、該電池の充放電試験とインピーダンス測定を様々な条件下(異なるSOCおよび温度)で実施した。
研究開発項目2:FFT法による電池特性の評価・診断、優位性の確認
 FFT法とFRA法(従来法)で交流インピーダンススペクトル(ACIS)測定を行い、周波数10kHz-10mHz間での両者の周波数応答スペクトルに差がないこと、FFT法(13チャンネル入力システム)では画面表示を含み8分間で測定できることを掴んだ(従来法では1時間以上)。また、測定システムのダイナミックレンジを拡張し、短時間測定が出来るよう改良を行った。従来の直流パルス法との比較を行い、提案FFT法の優位性を確認した。
研究開発項目3:正負極特性評価のための基準電極含有特殊セルの構築
 正極と負極のインピーダンスの分離による等価回路の細分化が、参照電極のサイズを工夫することによって可能となり、それぞれの電極間のインピーダンスの加成性の成立を確認した。
また、本研究で開発した特殊セルに、FFT測定を適用し、18650型セルのナイキストプロットのインピーダンスデータを、正極由来、負極由来に分離できることが明らかになった。
研究開発項目4:電池特性の温度依存性の把握
 試作した組電池のインピーダンスの温度依存性(-25-45℃の範囲で)の測定を行った。特に、高温保存での劣化挙動についても測定を行った。
研究開発項目5:FFT測定法の車載化のための検討
 試作した組電池のインピーダンスを評価しデータベース化することを行った。また、FFT法そのもの自体を車に搭載することができるかどうかの検討も行った。
研究開発項目6:ビジネスプランの策定
 国内外の自動車メーカ、およびLIBメーカと面談を行い、LIBに求められているBMSの性能と機能について調査を実施し、高精度なSOC、SOH、SOLの検出・診断ができる機器出現のニーズが極めて高いことが分かった。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program/ New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Fuel Cells and Batteries)/ Establishment Regarding "In-situ" and Simultaneous Multiplicity-Diagnosing Characterization Method of Many Lithium Ion Batteries for Electric Vehicle and Its Application (FY2011-FY2012) Final Report

Objective of the research is focused on making a new evaluation method of SOC (State of Charge), SOH (State of Health) and SOL (State of Life) of lithium ion secondary battery (LIB) by using a FFT (first Fourier transform) method with multi-channels and on applying its method to diagnose many cells for electric vehicle in a short time.
1. Basic experiments to examine the main factors to produce the charge-discharge curves of LIB; 18650-Type battery packs and modules including thermal and mechanical design were prepared for the evaluation of the cells. FFT experiment was performed with the prepared packs and modules. Instrumentation and software for a newly prepared FFT method was developed for our measurements and analysis of the data. The resulting data were represented with 3D expression. 18650-LIB used for the ACIS measurement was found to be composed of a cathode with Li salt of Ni, Mn and Co oxide, an anode with graphite, and LiPF6. The correlation between the battery performances and electrode materials is being examined.
2. Evaluation and Diagnosis of LIB with FFT method and its superiority; Under the same circumstances for SOC and temperature, we notice that no deviations between the curve obtained by FRA and the curve obtained by FFT can be seen at all of frequencies; from 0.010 to 10 kHz, that is, no differences in two spectra can be detected. In the case of FFT experiments with 13 channels, the data of 13 spectra were obtained in about 8 minutes. Time required for the ACIS measurement per one sample reduced one hundred in time by the FFT.
3. Special cell configuration to separate impedance data and electrochemical behavior observed with LIB into cathode and anode origins; In order to improve the experiment of AC measurement, a three-electrode cell with simplified and optimized configuration was fabricated using a reference electrode of Li foil having the same dimensions as cathode and anode, which is sandwiched in parallel between cathode and anode.
4. Evaluating the temperature-dependence of ACIS observed for LIBs; The behavior of each element for ACIS expressed by equivalent circuit (EC) is examined by changing the SOC and temperature. The result was described by the 3D expression.
5. Application of FFT method or FFT-data to vehicle; Our FFT method addresses the general construction of LIB systems with BMS (battery management system) used in vehicles. As the first step, database regarding the ACISs of 18650-type battery, pack and module are examined.
6. Business planning of the study; The planning how to use the database made with FFT method for LIB storage systems with BMS was prepared.
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