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リチウムイオン電池の拡大、材料とプロセスの変遷 2023

リチウムイオン電池の拡大、材料とプロセスの変遷 2023

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　本書は2022年を起点とした、主にBEV用のリチウムイオン電池の生産拡大を、電池材料とプロセスの変化から見た内容である。グローバルな生産拡大に関しては、前著「x/zEV用電池の拡大 (目標、現状とグローバルな態勢) 」において取り上げた。
　上記に関する調査や整理の過程で、特に気が付いた事は、1.主役である正極材の棲み分けが変わって来た、2.負極材もリチウムメタルやシリコン系、あるいはチタン系 (LTO、NTO) など、汎用材では不可能な、新たな特性、比容量や比出力を求めて拡大している、3.電解液やセパレーターなど、一見して変化は見られないが、BEVに特化した進化が含まれている。
　更にはサプライ・チェーンの制約から、バインダーはPVDF/NMP溶剤から水系ラテックスへ移行し、同時に乾式プロセスによる、合理化された電極板製造への模索が始まった。これらはリチウムイオン電池30数年の歴史の中で、懸案であった事項が、電解液系から固体電解質系へのパラダイム・シフトと相まった流れである。
　全固体セルへの流れの一部は、電解質の交代と同時に、セルの構造を単極子から双極子 (バイポーラー) へと発展させている。双極子はニッケル水素や鉛蓄電池では、むしろ古典的な技術である。新たなリチウムイオンでの、固体双極子セルは、新たな可能性を秘めていると言えよう。
　本書で以上の内容を取り上げたが、最先端の内容だけに、技術情報の開示や、特許情報も極めて少ない。現時点で敢えて本のテーマとした、内容の不備はご了解の上で見て頂きたい。 (菅原秀一)

目次

第1章 リチウムイオン電池の概要 (製造工程と原材料・部材)

  • 1.1 リチウムイオン電池の基本構成と電気化学
    • 1.1.1 電池 (セル) の基本構成
    • 1.1.2 正・負極の電気化学反応
    • 1.1.3 リチウムイオン電池の特徴
    • 1.1.4 セルの正常動作領域と正負極電位
    • 1.1.5 汎用有機電解液の電気分解領域
    • 1.1.6 極板の塗工パターン (正負、両面)
    • 1.1.7 セルの電極構造と熱伝導 (放熱)
  • 1.2 電池の充放電特性、エネルギーとパワー
    • 1.2.1 20Ahセルの充電と放電 (充放電レート 0.2C~3C)
    • 1.2.2 エネルギー特性とパワー特性
    • 1.2.3 Ragone plot、パワー特性の向上 (質量kg基準表示)
    • 1.2.4 リチウムイオン電池の中期目標
  • 1.3 製造プロセスと原材料、部材
    • 1.3.1 リチウムイオン電池の製造全工程
    • 1.3.2 全工程の原料、部材と工程のステップ
    • 1.3.3 リチウムイオン電池製造、原材料と工程 (1)
    • 1.3.4 リチウムイオン電池製造、原材料と工程 (2)
    • 1.3.5 原材料と部材>EV電池メーカー
    • 1.3.6 リチウムイオン電池生産の分業
    • 1.3.7 負極電極板の塗工と検査
    • 1.3.8 製造設備と工程費 (大型セル)

第2章 正極材の選択 (1) ハイニッケル&コバルト系

  • 2.1 正極材メーカーの動向、2021年〜2023年
    • 2.1.1 正極材の新規生産計画、直近12ヶ月
    • 2.1.2 正極材の新規生産計画、~2022
    • 2.1.3 正極材メーカーのグローバル展開
  • 2.2 NMCxyzの特性と比較
    • 2.2.1 NMCxyz系正極材の放電特性 (1)
    • 2.2.2 NMCxyz系正極材の放電特性 (2)
    • 2.2.3 NMCxyz系正極材の放電特性 (データ)
    • 2.2.4 NMC三元の素原料コストと相対比較
    • 2.2.5 NMC単、二と三元系正極材の共通性
  • 2.3 NMCxyz三元系、選択の基礎理論と数量
    • 2.3.1 NMCxyz系正極材の理論容量
    • 2.3.2 NMCxyz系正極材の放電特性
    • 2.3.3 (参考) 正極材の放電容量GWhあたり重量Kg
    • 2.3.4 (参考) 正極材ごとのリチウムLiの所用量、1,000GWhレベル

第3章 正極材の選択 (2) 、LFPなどコバルトフリー系

  • 3.1 正極材の新規計画一覧とLFPの基本特性
    • 3.1.1 LFP正極材による電池生産計画、メーカー別動向
    • 3.1.2 正極材の参入企業と動向、2Q/2022
    • 3.1.3 最近のコバルトフリー正極材の動向、2022/2Q
    • 3.1.4 コバルトフリー正極材の比較 (データ)
    • 3.1.5 コバルトフリー正極材の比較 (Ah)
    • 3.1.6 コバルトフリー正極材の比較 (Wh)
    • 3.1.7 正極材のAh容量 (単元、二・三元系)
    • 3.1.8 (参考) 正極材のLi Kg/kWh比較 (1C容量) データ
    • 3.1.9 (参考) 正極材のkWh放電容量あたり重量Kg
    • 3.1.10 (参考) 正極材の化学式、式量と (Li Kg/Ah) データ
  • 3.2 LFP正極材の基礎特性
    • 3.2.1 鉄リン酸リチウム正極セル特性 (1) 容量とCレート
    • 3.2.2 鉄リン酸リチウム正極セル特性 (2) サイクル
    • 3.2.3 正極材の粒径と比表面積とモルフォロジー
    • 3.2.4 LFPの改良モルフォロジー
  • 3.3 LFP正極電池の事例と傾向
    • 3.3.1 LFP正極のリチウムイオン電池、製品例
    • 3.3.2 エリーパワー 株式会社 の角槽型LFP正極電池
    • 3.3.3 SAFT社のVL25Fe Cell
    • 3.3.4 BYD社のLFP正極材電池とバス
    • 3.3.5 中国におけるLFP正極材の生産、GGII
    • 3.3.6 正極材の選択、中国電動自動車 2019/4月
  • 3.4 新規LFMP正極材の特性
    • 3.4.1 (部分引用) LFMPの台頭、日経産業新聞、2022/11/22
    • 3.4.2 新規LMFP正極材の特性比較
    • 3.4.3 LMFP正極材セルの放電カーブ (文献引用)
    • 3.4.4 正極材の遷移元素の放電電位 (文献値)
    • 3.4.5 正極材の電気伝導率 (mS/cm)
    • 3.4.6 正極材の真比重と電極密度

第4章 負極材の選択 (1) 新・炭素系とリチウム・メタル

  • 4.1 (炭素/リチウム) 負極の基本特性
    • 4.1.1 正極と負極、主役と脇役
    • 4.1.2 各種負極材の理論容量
    • 4.1.3 炭素系負極の構造模式図
    • 4.1.4 炭素、黒鉛系負極材の品種とメーカー
  • 4.2 等方性の炭素負極材
    • 4.2.1 炭素・黒鉛系負極材の異方性と特性
    • 4.2.2 負極材の選択とパワーVS.エネルギー (データ)
    • 4.2.3 負極材の選択とパワーVS.エネルギー特性
    • 4.2.4 負極材の選択とセルの安全性
  • 4.3 リチウム・メタル負極
    • 4.3.1 リチウムメタル負極の開発、2023
    • 4.3.2 (記事部分引用) リチウム硫黄電池 (GSyuasa、SSB)
    • 4.3.3 正極と負極材の理論容量
    • 4.3.4 リチウムメタルと炭素の比較
    • 4.3.5 充放電可能なCell VOLUME 、イメージ図
    • 4.3.6 元素の電気伝導度 Ω・m
  • 4.4 リチウム合金系負極
    • 4.4.1 負極材の理論容量 (1) 、mAh/gとmAh/cm3
    • 4.4.2 合金系負極材の体積変化と比較 (比重)
    • 4.4.3 合金系負極材の体積変化と比較 (比体積)
    • 4.4.4 合金系負極材のLi化ステップ
    • 4.4.5 合金系負極材のLi数と実用域

第5章 負極材の選択 (2) LTOとNTO系

  • 5.1 LTO負極セルの特徴と材料サプライ
    • 5.1.1 非炭素系負極材
    • 5.1.2 LTOとNTOの開発状況、2000年〜2023年
    • 5.1.3 LTO 負極セルの反応
    • 5.1.4 LMO正極/LTO負極セルの充放電過程
    • 5.1.5 カーボン・コーティングLTOの容量とレート特性
    • 5.1.6 LTO負極セルのサイクル特性 (放電容量維持率)
    • 5.1.7 (引用) LTO負極セルの進歩
    • 5.1.8 表面カーボンコーティンによるLTO負極材の特性改良
    • 5.1.9 各社のLTO負極セルの特性
    • 5.1.10 三菱自動車MiEVのLTO負極電池
  • 5.2 NTO負極セル
    • 5.2.1 NTO、LTOとC6の理論容量
    • 5.2.2 電池の電極構成と電解質溶液1.2Mの分布
    • 5.2.3 (引用) 株式会社 東芝のNTO負極材、2023
    • 5.2.4 (引用) 株式会社 東芝のNTO負極セル
    • 5.2.5 TiO2系負極材の特性と比較
    • 5.2.6 WO5系負極材の特性と比較
    • 5.2.7 TiO2系とWO5系負極の理論容量 (計算過程)

第6章 電解液と電解質 (種類と特性)

  • 6.1 汎用電解液系
    • 6.1.1 汎用電解液
    • 6.1.2 汎用有機電解液のイオン伝導度、温度変化
    • 6.1.3 ECベースの電解液とイオン伝導度
    • 6.1.4 汎用有機電解液の電気分解領域
    • 6.1.5 有機電解液の酸化、還元 (HOMO、LUMO)
    • 6.1.6 有機電解液の酸化、還元 (データ)
  • 6.2 汎用有機電解液のイオン伝導度、温度変化
    • 6.2.1 電解質 (Li塩) の特性
    • 6.2.2 主な電解質 (Li塩) の分子量と組成、2023
    • 6.2.3 各種電解質の特性、ステラケミファ社
    • 6.2.4 電解液と電解質 の一般特性
    • 6.2.5 電解質のリチウムイオン、動き易さ
  • 6.3 新規な電解質の特性と応用
    • 6.3.1 (文献引用) (NMC622/LiFSI/Liメタル) セル
    • 6.3.2 電解液及び電解質の酸化、還元 (HOMO、LUMO)
    • 6.3.3 (文献) LiFSIの特性と応用
    • 6.3.4 (文献引用) Li+の脱溶媒和

第7章 セパレータ、民生用と電動車用

  • 7.1 セパレータの現状と増設計画
    • 7.1.1 セパレータメーカー一覧
    • 7.1.2 セパレータに関する現状と新規計画、2021
    • 7.1.3 国内電池材料関係の補助2023、経済安全保証推進法
    • 7.1.4 金属・樹脂材料の供給サプライ・チェーン (難易度)
    • 7.1.5 金属・樹脂材料のサプライ・チェーン
    • 7.1.6 金属・樹脂材料の供給SC、基盤の産業
    • 7.1.7 セパレータ面積の試算 EV100万台/年
  • 7.2 電動車用セパレータ
    • 7.2.1 リチウムイオン電池と温度、熱暴走
    • 7.2.2 セパレータのシャットダウン特性
    • 7.2.3 セパレータの機能と温度 (モデル)
  • 7.3 (資料) セパレータの種類と製法
    • 7.3.1 セパレータの種類と製法
    • 7.3.2 樹脂基材セパレータの製法
    • 7.3.3 各種セパレータの特徴
    • 7.3.4 新しい機能性セパレータ

第8章 電極バインダー (有機系/水系の選択と乾式工程)

  • 8.1 バインダー全体の開発動向
    • 8.1.1 バインダー、導電剤と機能の発現
    • 8.1.2 各種バインダーポリマーの構造と配合
    • 8.1.3 正極材の選択と電極バインダーの選定
    • 8.1.4 電極バインダーに関する動向、~2023
    • 8.1.5 電極バインダーの現状と展開、2022
    • 8.1.6 各種負極材の膨張率とバインダー
    • 8.1.7 ポリイミド、ポリアミド・イミド系バインダー
    • 8.1.8 バインダーポリマーの耐熱性アップ
  • 8.2 PVDFバインダーとNMPのサプライ
    • 8.2.1 PVDFバインダーに関する動向、~2021
    • 8.2.2 PVDFメーカーの製品と増産計画
    • 8.2.3 PVDFの原料 (モノマー) のサプライ・チェーン
    • 8.2.4 溶剤NMPの合成ルート
    • 8.2.5 正極のバインダーとNMPの使用量、NMC811
    • 8.2.6 正極のバインダーとNMPの使用量、LFP
  • 8.3 電極板製造とドライプロセスへの取り組
    • 8.3.1 極板の塗工パターン (正負、両面)
    • 8.3.2 電極板の断面と塗工欠陥
    • 8.3.3 電極板の塗工>乾燥の効率モデル
    • 8.3.4 乾式プロセスへの取り組、2022-23
    • 8.3.5 欧州のドライプロセス開発 (1)
    • 8.3.6 欧州のドライプロセス開発 (2)
    • 8.3.7 ポリマーのガラス転移点Tgと融点Tm
    • 8.3.8 PVDFの酸化、還元 (分子軌道計算)
  • 8.4 ドライプロセスの特許と各社の方法の紹介
    • 8.4.1 特許国際分類IPC、ドライ電極製造
    • 8.4.2 ドライ電極製造、マクスウエル社特許 (1)
    • 8.4.3 ドライ電極製造、マクスウエル社特許 (2)
    • 8.4.4 ダイキン工業 株式会社 のドライプロセス
    • 8.4.5 米AMB社の乾式プロセス
    • 8.4.6 株式会社 東芝のSCdEプロセス、2023
    • 8.4.7 エレクトロスピニング (紡糸)
    • 8.4.8 エレクトロスピンPVDFファイバー
    • 8.4.9 (引用) GSユアサの静電塗装セパレータ
    • 8.4.10 ポリマーゲルをセパレータとした例
    • 8.4.11 ポリマー系材料のハイブリッド化

第9章 集電箔と外装型式 (円筒、角槽と平板)

  • 9.1 集電箔の電気化学と選定
    • 9.1.1 銅箔とアルミ箔の選択
    • 9.1.2 集電箔の厚さと目付量
    • 9.1.3 標準1Ahセル 体積と重量
    • 9.1.4 アルミニウム (正極) 集電箔の電気化学的な特性
    • 9.1.5 銅 (負極) 集電箔の電気化学的な特性
    • 9.1.6 極板の欠陥と不良例
    • 9.1.7 過放電によるセルのガス膨張と電極板の崩壊
  • 9.2 電池の外装型式 (円筒、角槽と平板)
    • 9.2.1 セルの内部構造と熱伝導 (放熱)
    • 9.2.2 電池 (セル) の外装型式と電極板製造
    • 9.2.3 大形リチウムイオン電池の外装型式と特性 (1)
    • 9.2.4 大形リチウムイオン電池の外装型式と特性 (2)
    • 9.2.5 EV用電池の外装型式、多様性と選択
    • 9.2.6 EV用リチウムイオン電池の外装型式とメーカー
    • 9.2.7 自動車用電池の外形と容量 (1) 日本車
    • 9.2.8 自動車用電池の外形と容量 (2) 欧米車
  • 9.3 電池の外観図 (円筒、角槽と平板)
    • 9.3.1 円筒型
    • 9.3.2 角槽型
    • 9.3.3 平板型のタブ端子
    • 9.3.4 最近の高性能平板型

第10章 電池の特性 (比容量と比出力)

  • 10.1 エネルギー特性とパワー特性
    • 10.1.1 エネルギーとパワー、トレードオフ
    • 10.1.2 エネルギー特性の低下、パワー特性の低下
    • 10.1.3 Ragone Plot、パワー特性 (質量kg基準表示)
    • 10.1.4 最近の製品電池の比容量 (1) 、2018年〜2019年
    • 10.1.5 最近の製品電池の比容量 (2) 、2018年〜2019年
  • 10.2 電解液系セルの比容量 (正極材レベル)
    • 10.2.1 LFP系およびNMC系の製品電池、比容量Wh/Kg
    • 10.2.2 円筒型セルのAh容量、体積V、表面積SとS/V
    • 10.2.3 4680Cell (TESLA社) 推定データ
    • 10.2.4 円筒型セルのAh容量と比容量Wh/kg
    • 10.2.5 電解液系電池の理論限界は!、全固体の領域は?
    • 10.2.6 現在の液系リチウムイオン電池、300Wh/Kg
    • 10.2.7 電解液電池の比容量モデルと極限比容量
    • 10.2.8 セルの比容量Wh/kgの向上モデル
    • 10.2.9 比容量レベル Max 400Wh/Kg
  • 10.3 単電池の比容量と搭載システムの重量
    • 10.3.1 単電池の比容量Wh/kgとBEV車載電池の重量kg
    • 10.3.2 電池の比容量とEV搭載電池重量Kg (グラフ)
    • 10.3.3 セルのモジュール化に伴う比容量の低下 (モデル)

第11章 全固体リチウムイオン電池の実用化

  • 11.1 液体電解質から固体電解質へ
    • 11.1.1 何故に “ 全固体電池 ”か
    • 11.1.2 液系電解液 (質) から全固体電解質へ
    • 11.1.3 電解質のイオン伝導度 (理化学値)
    • 11.1.4 電解質のイオン伝導度 (デバイス値)
    • 11.1.5 固体粒子間のLi+移動、模式図
    • 11.1.6 固体粒子間の接触界面、模式図
  • 11.2 硫化物系と酸化物系 (参入企業と動向)
    • 11.2.1 硫化物系全固体電池の開発、2022-23
    • 11.2.2 硫化物系全固体電池の特性例 (日立造船 株式会社 )
    • 11.2.3 酸化物系全固体電池の開発、2022-23
    • 11.2.4 半固体電解質電池の開発、2022-23
    • 11.2.5 全固体電池への参入企業 (パターン)
    • 11.2.6 全固体電池の開発 (1) 自動車メーカー
    • 11.2.7 全固体電池の開発 (2) 既存電池メーカー
  • 11.3 EV用途の全固体電池 (高温域の可能性)
    • 11.3.1 BEV用途の全固体電池、Q2/2023
    • 11.3.2 自動車用全固体電池、開発情報 (1) 発売時期一覧
    • 11.3.3 自動車用全固体電池、開発情報 (2) ~2021/1Q
    • 11.3.4 課題 BEVの安全性規格の制定と運用
    • 11.3.5 熱制御型PHV/HV 全固体電池システム
    • 11.3.6 ダイムラー社HEVの電池配置と冷却方法 (2005)
    • 11.3.7 固体電解質の温度と電池の機能モデル
  • 11.4 全固体電池への期待とロードマップ
    • 11.4.1 全固体リチウムイオン・セルへの期待
    • 11.4.2 BEV用リチウムイオン電池のシナリオ、逆転も可能
    • 11.4.3 NEDOの全固体電池ロードマップ
  • 11.5 (参考) EVにおける電池の発熱と冷却
    • 11.5.1 リチウムイオン電池の発熱理論 (1)
    • 11.5.2 リチウムイオン電池の発熱理論 (2)
    • 11.5.3 EV用電池ユニットの急速充電と発熱データ
    • 11.5.4 主要EVの電池システムの冷却方式、2023
    • 11.5.5 平板型電池ユニットの自然空冷方式
    • 11.5.6 TESLA社 Model-S、循環水冷方式
    • 11.5.7 Audi eーtron EVの間接液体冷却方式
    • 11.5.8 VW車のID.3とID.4、間接水冷方式

第12章 双極子 (バイポーラー) 電池

  • 12.1 電極構造と電極端子
    • 12.1.1 電池 (セル) の基本構成
    • 12.1.2 単極子セルの電極構造
    • 12.1.3 双極子 (バイポーラー) 型リチウムイオン電池 (セル)
    • 12.1.4 バイポーラーセルの製品事例
    • 12.1.5 双極子 (バイポーラー) 型セルの構成 (1)
    • 12.1.6 双極子 (バイポーラー) セルの構成 (2)
    • 12.1.7 双極子 (バイポーラー) セルの構成 (3)
    • 12.1.8 双極子セルと正・負極材の選択 (1)
    • 12.1.9 双極子セルと正・負極材の選択 (2)
    • 12.1.10 バイポーラー型ニッケル水素電池、PEVE
    • 12.1.11 (引用) バイポーラー型NiMHセル
  • 12.2 電極板の塗工方式 (両面か片面)
    • 12.2.1 双極子 (バイポーラー) セルのユニット (1 通電可能)
    • 12.2.2 双極子 (バイポーラー) セルのユニット (2 通電不可)
    • 12.2.3 単極子セルの電極断面図、同極の両面電極層
    • 12.2.4 電極板の塗工方式 (流れ方向)
    • 12.2.5 逐次片面方式、ヒラノテクシード 株式会社 汎用塗工機
    • 12.2.6 同時両面塗工、東レエンジニアリング 株式会社
    • 12.2.7 銅箔とアルミ箔の選択
  • 12.3 セルの接続 (直列と並列)
    • 12.3.1 単電池、組電池とシステム
    • 12.3.2 組電池とシステム JIS C 8715-1引用
    • 12.3.3 並列セルの定電圧充電 (4.2V)
    • 12.3.4 直列セルの定電流充電 (5A)
    • 12.3.5 単純直列充電におけるセルの過充電
    • 12.3.6 三直列セルの過充電 (ガス膨張)
    • 12.3.7 過充電セルの膨張率と特性変化
    • 12.3.8 過充電セル (膨張) の経過
    • 12.3.9 均等充電とBMS (公開特許図面)
    • 12.3.10 放電電圧モデル、双極子vs.単極子
    • 12.3.11 アルミ箔上の鉄リン酸リチウム正極セル特性
  • 12.4 全固体電池と半固体電池との関連
    • 12.4.1 APB、三洋化成工業、2020/12/21
    • 12.4.2 京セラ 株式会社 のENEREZZA
    • 12.4.3 双極子 (バイポーラー) セルの可能性
    • 12.4.4 (引用) トヨタ自動車の双極子型全固体電池 (1)
    • 12.4.5 (引用) トヨタ自動車の双極子型全固体電池 (2)
    • 12.4.6 (記事の部分引用) 株式会社 東芝の双極子型全固体SCiB
  • 12.5 双極子セルの製造方法
    • 12.5.1 双極子セルと電解質 (液) の関係
    • 12.5.2 単極子セルへの電解液の侵入方向
    • 12.5.3 単極子セルの製造工程
    • 12.5.4 リチウムイオン電池 (セル) の外装型式
    • 12.5.5 ポリマーゲルによる内部短絡回避
    • 12.5.6 PVDFゲル電解液系のイオン伝導度
    • 12.5.7 双極型電池の製造方法、特許公開
    • 12.5.8 バイポーラー型全固体電池 (特許公開1)
    • 12.5.9 バイポーラー型全固体電池 (特許公開2)

第13章 (終章) まとめ

  • 13.1 蓄電デバイスの課題
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執筆者

菅原 秀一

泉化研株式会社

代表
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出版社

S&T出版 株式会社
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お問い合わせ

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体裁・ページ数

A4判 304ページ

ISBNコード

978-4-911146-03-3

発行年月

2023年11月

販売元

tech-seminar.jp

価格

90,000円 (税別) / 99,000円 (税込)

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