成果報告書詳細
管理番号20160000000438
タイトル平成21年度ー平成27年度成果報告書 革新型蓄電池先端科学基礎研究事業/革新型蓄電池先端科学基礎研究開発 「材料革新」および「革新型蓄電池」に関する研究
公開日2016/7/15
報告書年度2009 - 2015
委託先名国立研究開発法人産業技術総合研究所 日立マクセル株式会社 パナソニック株式会社 株式会社本田技術研究所
プロジェクト番号P09012
部署名スマートコミュニティ部
和文要約革新型蓄電池先端科学基礎研究開発の中で産総研拠点においてリチウムイオン電池の材料革新と革新型蓄電池の開発に取り組み、下記の研究開発を行い目標とした成果を得た。
高容量正極の開発については、現在次世代の材料として主流となっているLi過剰系層状材料の端緒を克服すべくLi欠損系層状化合物の新規な相の開発を行った。Li塩からの直接合性では得ることの難しい相をイオン交換反応と熱処理を組み合わせ、250 mAh g-1を超える初期容量を示しサイクル特性も優れた材料を見出した。さらに革新型蓄電池に用い得る高エネルギー密度の金属多硫化物を開発し、Liを対極とする正極重量のみに基づいて1000 - 1300 Wh/kgの値を得た。従来の炭素ー硫黄複合体で実用化の妨げとなっていた放電生成物の多硫化リチウムの電解液への溶出のない材料であり、密度も高く実用性が高いと考えている。
高容量負極の開発については、SnやSiに着目し、充放電中の膨張収縮を吸収して長寿命化できる三次元構造電極の開発に取り組み、応力解析等も駆使し実用性の高いプロセスで得た原料を用いて電極化を行った。
正極/電解質界面の高度安定化においては、劣化機構の把握から行い電解液の影響の把握や被覆効果の観測手法の検討も含め総合的に取り組んだ。高電位領域での電解液と正極表面の反応により起こる高抵抗化を抑制でき、初期特性を低下させずかえって向上させる被覆による表面修飾も用いることにより、高エネルギー密度化と長寿命化を同時に進められる成果を得た。また被覆を行う際には、電解液との副反応を遮断するのに厚い被覆は必要がないこと、表面の被覆により母材粒子内部のLiの濃度分布に影響を及ぼし、均一性とサイクル特性に強い相関があることを見出した。被覆による母材のクラックの抑制効果との関連も示唆される。
以上開発した正極材料を用いて3倍容量のLiを用いる構成のセルで、300 Wh/kg以上のエネルギー密度を有するセルを構築可能であった。
革新型蓄電池として取り組んだ亜鉛空気二次電池については、空気極に関する研究開発を行った。実用性を高めるには放電中の酸素還元と充電中の酸素発生の両反応に対する活性と耐久性に優れた可逆空気極が必要であり、従来のカーボン担体を使用する空気極では、充電中の高電位雰囲気におけるカーボンの腐食劣化が懸念された。そのため、従来電極のカーボンに代わる耐酸化性導電担体としてアンチモンドープ酸化スズ(ATO)を用い、ペロブスカイト型酸化物と複合化した空気極触媒を開発した。このATO担体空気極は、従来電極と比べ、亜鉛空気電池の充放電サイクルに対して高い耐久性を有することを実証した。
英文要約As a part of “Research & Development Initiative for Scientific Innovation of New Generation Batteries (RISING)” project, material innovation for lithium-ion batteries and innovative battery development for next-generation were conducted in AIST. Improvement of life and energy density of electrodes in lithium-ion battery is important, and 3 topics were focused on for this purpose. High capacity positive electrode material was developed using the combination of ion-exchange reaction and heat treatment. Promising material that shows the specific capacity of more than 250 mAh g-1 was found in Li-deficient layered phase. Metal (Fe, Ti, Nb) polysulfide was also developed and high energy material without the dissolution of Li polysulfide into the electrolyte was found. For negative electrode, three-dimensional electrode was developed using Sn and Si for long cycle life. Relationship between stress during cycles and morphology of electrode was analyzed using mathematical simulation. Stabilization of the interphase region between positive electrodeelectrolyte was very important for long life battery. Surface modification by coating and electrolyte optimization were conducted in combination of the development of observation and visualization technique of transmission electron microscopy. Case of very thin and uniform Al-O layer and different case of island deposit of Zr-O coating was formed on NCM(LiNi13Co13Mn13O2) surface. Both showed the improvement effect in initial capacity, average voltage, and cycling properties. We have found also that cycling properties and Li distribution inside the electrode material strongly correlated and this can be related to the effect of suppression of crack development inside the positive electrode material. Using the developed material, energy density was estimated as a commercialized cell size in Al-laminated pouch cell. Li-deficient layered oxide, coated NCM (high voltage use), metal polysulfide brought the possibility of the high energy battery over 300 Whkg.
Reversible air-electrodes catalyzing both oxygen reduction and evolution reactions are required for zinc-air secondary batteries. Although carbon black is usually used as a catalyst support, which is mixed with bi-functional catalysts such as perovskite-type oxide, it is potentially oxidized during the charging step. In this study, antimony doped tin oxide (ATO) is used as a conductive support alternative to carbon to evaluate both activity and durability of air electrodes with perovskite-type oxide catalysts in zinc-air secondary batteries. The ATO supported catalyst improved durability toward charge-discharge cycles compared to the carbon supported catalyst.
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