成果報告書詳細
管理番号20160000000442
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 革新型蓄電池および電池解析技術に関する研究
公開日2016/7/15
報告書年度2009 - 2015
委託先名国立大学法人京都大学 株式会社GSユアサ 日立化成株式会社 トヨタ自動車株式会社 株式会社豊田中央研究所 日産自動車株式会社 パナソニック株式会社 株式会社日立製作所 株式会社本田技術研究所 三菱自動車工業株式会社 三菱重工業株式会社 日本軽金属株式会社 ソニー株式会社
プロジェクト番号P09012
部署名スマートコミュニティ部
和文要約京都大学を拠点として産学官の英知を結集して蓄電池の革新のために「現象解析の新技術」に取り組んできた。京都大学と参画法人からの研究員とが共同で京都大学に研究環境を整備し、「高度解析技術開発」、「電池反応解析」、「革新型蓄電池開発」のそれぞれの研究を推進した。
高度解析技術開発においては、高輝度放射光・高強度パルス中性子の量子ビーム技術などを用い、高い空間分解能と時間分解能、元素識別性を備えた世界最先端の蓄電池反応解析用その場測定技術を研究開発した。具体的には反応分布をin situ測定するため、波長分散型測定法を開発した。またin situ中性子回折を用いて、実電池内部の正/負極の挙動を独立して評価することで、電池内で起こる反応分布現象や不安定反応を捉えることに成功した。高磁場の固体NMR解析システムでは、高速MASプローブを導入し、マイナー信号や充放電によるスペクトル変化などの詳細な解析が可能になった。精密充放電装置と、in situで行った中性子回析実験のリートベルト法を用いた解析結果からサイクルに伴う容量減少は活性なリチウムイオンの消失によって引き起こされることが結論された。
電池反応解析においては、温度可変のin situラマン分光測定系を構築し、リチウムイオン電池正極の劣化抑制のメカニズムを明らかにした。また高配向性熱分解黒鉛を用い、in situ原子間力顕微観察することで安定な被膜形成のための因子を抽出した。
革新型蓄電池の開発として、金属空気電池では、亜鉛空気電池の研究開発を行った。電解液中に有機化合物を共存させ、亜鉛種の溶解抑制を行ったところ、析出形態が改善され、高い亜鉛利用率で長寿命を達成した。有機化合物の対極における酸化脆弱性は、隔膜を用いる遮蔽により回避した。ペロブスカイト型酸化物触媒を担持させた空気極を有するフルセル特性を試験し、300Wh/kgの特性検証を行い、金属空気電池としての基礎技術を構築した。ナノ界面制御電池においては、活物質の電解液への溶解性を制御するため、電解液への添加剤を検討した。電池特性を検討した結果、開発目標の300Wh/kg以上を実現できる見通しを得た。
英文要約In this project, new analytical methods for battery reactions have been studied by cooperation with companies, academia and government aiming at developing innovative batteries. Kyoto University is the center of the project. Facilities for this research center are constricted of researchers from university and cooperating companies. The topics have been made mainly on “Advanced analysis”, “Battery reactions analysis” and“Innovative battery”.
In “Advanced analysis”, we have researched and developed the leading-edge measurement technique for battery reaction and analysis that come with high spatial resolution, time resolution and elemental discrimination by using quantum beam technique of highly brilliant synchrotron radiation and pulsed neutron of high-strength. To measure in situ operand reaction distribution, we have developed Energy Scanning Confocal X-ray diffraction. In addition to, while independently evaluating the behavior of the anode / cathode in battery using in situ neutron methods, we have succeeded in capturing the reaction distribution phenomenon and the stabilizing reactions in the battery. In solid-state NMR analysis of the high magnetic field, high-speed MAS probe is introduced and we have enabled detailed analysis of such spectral changes due to minor signal or charging and discharging. It was concluded by the analysis result using the high precision charge/discharge equipment and the result of Rietveld analysis of data of Neutron diffraction in situ that the capacity decrease with the cycle was caused by the disappearance of the active lithium ion.
In “Battery reaction”, we build an in-situ Raman spectroscopy system operating at variable temperature, gave suggestions how to suppers deterioration of the lithium-ion battery cathode. Also we use the highly oriented pyrolytic graphite, and applied out in situ atomic force microscope observation. We were extracted factor for the stable film formation.
In “Innovative battery” at first as “metal-air batteries” Zinc air batteries were constructed and examined. The use of modified alkaline electrolyte containing organic materials led to high durability of the zinc electrode. A full cell combined with an air electrode with a perovskite-type oxide catalyst was developed. Energy density of 300 Wh/kg with basic technology of innovative batteries was demonstrated.
In “nano-controlled interface batteries”, aiming at controlling the solubility in the electrolyte of active materials, we have examined the additive to the electrolyte. To perform a charge-discharge test by using a coin cell, the result of examining the battery characteristics, we are expecting that 300Wh / kg or more can be achieved.
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