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2018年2月16日【テクノロジー】

日立と東北大学、新規電解質を用いる燃え難いリチウムイオン二次電池を試作

NEXT MOBILITY編集部

日立製作所と東北大学・多元物質科学研究所(IMRAM)の本間格教授らの研究グループは、従来の有機電解液よりも引火点が高く、燃えにくい新規電解質を用いた高安全なリチウムイオン二次電池(LIB)の試作に成功した。

試作では容量100Whのラミネート型電池(*1)を用い、充電や放電などの電池特性を確認、さらに従来の有機電解液LIBでは発火に至る釘刺し試験(*2)において、試作したLIBの不燃性を実証した。

 

この技術により、安全性を確保しつつ、車載や民生用途向けなどのLIBの高容量化、高エネルギー密度化が可能となるとしている。

 

LIBはスマートフォン、タブレットの小型携帯端末用電源をはじめ、電気自動車用電源や再生可能エネルギーの需給調整など、様々な用途で活用されている。

 

しかし、一般的なLIBでは、引火点が20℃以下の有機溶媒を電解液として用いているため、異常発生時に発火する恐れがある。

 

そのため、現行の電池システム(*3)には、発火を抑制する補強材や冷却機構が設けられており、システム小型化などの妨げとなっていた。

 

東北大学では、2011年より、発火しにくく、安全性の高いLIBの開発に向けて、引火点の高いLIB向け電解質の検討を開始(*4)。

 

今回、日立と東北大学は、共同で開発した新規電解質を用いてラミネート型のLIBを試作し、電池の基本動作を確認。さらに、電池安全性試験法の一つ「釘刺し試験」での不燃性を実証した。

 

開発技術の概要は以下の通り。

 

1. 高い引火点とリチウムイオン伝導性を両立する電解質材料技術

 

LIB用の電解質には、安全性を担保するための高い引火点に加え、スムーズな充放電反応を進行させるための高いリチウムイオン伝導性が必要。

 

今回、新規電解質内のリチウムイオン伝導挙動をシミュレーション解析し、リチウムイオン伝導を促進する液体成分を探索することで、従来比4倍の高リチウムイオン伝導性と、有機電解液よりも100℃以上高い引火点の両立に成功した。

 

2. 新規電解質を用いた電池製造技術

 

今回開発の新規電解質を用いてラミネート型電池を試作。

 

界面改質技術により電解質の電気化学的安定性を向上させることで、電池容量低下の要因となる正極および負極表面での新規電解質の分解反応を抑制し、設計値(*5)どおりの電池容量で充放電の繰り返し動作を実現した。

 

さらに、ナノ・ミクロスケール領域の電解質材料分布の最適設計、製造条件の最適化を施すことで、電池の信頼性低下の要因となる電解質材料の凝集や空隙、クラック形成を抑制し、エネルギー密度の高い電池容量100Whラミネート型電池試作に成功した。

 

試作したラミネート型電池の安全性を釘刺し試験により検証したところ、内部短絡による発熱が抑制され、発火に至らないことを実証した。

 

これにより、従来の電池システムで安全性を担保するために設けられた補強材や冷却機構を削減したシステム設計が可能となるため、システム小型化、価格競争力向上が期待できる。

 

今後、日立と東北大学は、開発したLIBの実用化に向けて、更なる高エネルギー密度化、充放電時間の短縮化など電池の性能向上をめざすとしている。

 

*1)ラミネート型電池:正極、負極と新規電解質の積層体をアルミニウムラミネートシートで覆い熱融着により密閉した電池

*2)釘刺し試験:電池の発熱、発火の要因となる内部短絡を模擬した、強制内部短絡試験法のひとつ。充電深度100%まで充電した電池に対し、外部より釘を挿入し、強制的に電池内で短絡を生じさせる試験。

*3)電池システム:複数のリチウムイオン二次電池と電池の冷却、安全機構、電池制御回路を一体化したシステム

*4)S. Ito, A. Unemoto, H. Ogawa, T. Tomai, I. Honma, J. Power Sources 208 (2012) 271-275.

*5)設計値:開発した電池で充放電できる最大の電気量、エネルギー密度。電池開発に用いる正極および負極材料の種類や量、電池の運転条件によって決まる値。

 

[問い合わせ先]

 

・日立製作所
研究開発グループ 研究管理部 [担当:鈴木、太田、黒澤]
〒319-1292 茨城県日立市大みか町7丁目1番1号
電話 : 0294-52-7508 (直通)

 

・国立大学法人東北大学
多元物質科学研究所 [担当:本間 格(いたる) 教授]
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平二丁目1番1号
電話 : 022-217-5815

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坂上 賢治

NEXT MOBILITY&MOTOR CARS編集長。日刊自動車新聞を振り出しに自動車産業全域の取材活動を経て同社出版局へ。コンシューマー向け媒体(発行45万部)を筆頭に環境&リサイクル紙、車両ケア&整備ビジネス専門誌等の創刊誌編集長を歴任。独立後は一般誌、Web媒体上でジャーナリスト活動を重ね30年半ば。2015年より自動車情報媒体のMOTOR CARS編集長、2017年より自動車ビジネス誌×WebメディアのNEXT MOBILITY 編集長。

松下次男

1975年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として国会担当を皮切りに自動車販売・部品産業など幅広く取材。その後、長野支局長、編集局総合デスク、自動車ビジネス誌MOBI21編集長、出版局長を経て2010年論説委員。2011年から特別編集委員。自動車産業を取り巻く経済展望、環境政策、自動運転等の次世代自動車技術を取材。2016年独立し自動車産業政策を中心に取材・執筆活動中。

間宮 潔

1975年日刊自動車新聞社入社。部品産業をはじめ、自動車販売など幅広く取材。また自動車リサイクル法成立時の電炉業界から解体現場までをルポ。その後、同社の広告営業、新聞販売、印刷部門を担当、2006年に中部支社長、2009年執行役員編集局長に就き、2013年から特別編集委員として輸送分野を担当。2018年春から独立、NEXT MOBILITY誌の編集顧問。

片山 雅美

日刊自動車新聞社で取材活動のスタートを切る。同紙記者を皮切りに社長室支社統括部長を経て、全石連発行の機関紙ぜんせきの取材記者としても活躍。自動車流通から交通インフラ、エネルギー分野に至る幅広い領域で実績を残す。2017年以降は、佃モビリティ総研を拠点に蓄積した取材人脈を糧に執筆活動を展開中。

中島みなみ

(中島南事務所/東京都文京区)1963年・愛知県生まれ。新聞、週刊誌、総合月刊誌記者(月刊文藝春秋)を経て独立。規制改革や行政システムを視点とした社会問題を取材テーマとするジャーナリスト。

山田清志

経済誌「財界」で自動車、エネルギー、化学、紙パルプ産業の専任記者を皮切りに報道分野に進出。2000年からは産業界・官界・財界での豊富な人脈を基に経済ジャーナリストとして国内外の経済誌で執筆。近年はビジネス誌、オピニオン誌、経済団体誌、Web媒体等、多様な産業を股に掛けて活動中。

佃 義夫

1970年日刊自動車新聞社入社。編集局記者として自動車全分野を網羅して担当。2000年出版局長として「Mobi21」誌を創刊。取締役、常務、専務主筆・編集局長、代表取締役社長を歴任。2014年に独立し、佃モビリティ総研を開設。自動車関連著書に「トヨタの野望、日産の決断」(ダイヤモンド社)など。執筆活動に加え講演活動も。

熊澤啓三

株式会社アーサメジャープロ エグゼクティブコンサルタント。PR/危機管理コミュニケーションコンサルタント、メディアトレーナー。自動車業界他の大手企業をクライアントに持つ。日産自動車、グローバルPR会社のフライシュマン・ヒラード・ジャパン、エデルマン・ジャパンを経て、2010年にアーサメジャープロを創業。東京大学理学部卒。

福田 俊之

1952年東京生まれ。産業専門紙記者、経済誌編集長を経て、99年に独立。自動車業界を中心に取材、執筆活動中。著書に「最強トヨタの自己改革」(角川書店)、共著に「トヨタ式仕事の教科書」(プレジデント社)、「スズキパワー現場のものづくり」(講談社ピーシー)など。