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リチウムイオン電池技術

リチウムイオン電池技術

~材料・製造技術と安全性評価~
リチウムイオン電池技術の画像

概要

本書は、正極材料、負極材料、微粒子・スラリー調製、バインダー、塗工技術、電解液、セパレータ、安全化・対策、測定技術などのリチウムイオン電池の要素技術を網羅的にまとめた一冊です。

ご案内

リチウムイオン電池は高電圧、軽量、高エネルギー密度という優れた特徴から、携帯電話、ノートパソコンなど種々のモバイル機器用電源として多用されてます。また、近年は電動工具や電動アシスト自転車等の高出力用途への応用が始まり、将来はHEV、P-HEV、EVをはじめとする自動車用途や産業用用途への大きな展開が期待されています。リチウムイオン電池の需要拡大に伴い、電池ユーザからは高エネルギー化、高性能化、安全性などますます強く要求されています。 本書は「展望、市場動向」にはじまり「各種材料の開発」「微粒子、スラリーの調製・塗工技術」「安全化技術」「各種測定・評価」とまとめており、実際にリチウムイオン電池を研究開発されている方、材料メーカー他、技術動向調査にもお役立ていただける1冊です。

目次

第1章 リチウムイオンバッテリの現状・開発動向、課題と今後の展望

  • 1. 電気自動車の現状
  • 2. 電気自動車用リチウムイオンバッテリに要求される事項
  • 3. リチウムイオンバッテリの開発
    • 3.1 高エネルギ密度及び高入出力密度の両立
    • 3.2 長寿命化
    • 3.3 安全性
    • 3.4 バッテリマネージメント
      • 3.4.1 セル容量バランサ機能
      • 3.4.2 過充放電保護機能
      • 3.4.3 通信機能
  • 4. リチウムイオンバッテリの開発状況
    • 4.1 入出力密度とエネルギ密度の現状
    • 4.2 長寿命化の現状
    • 4.3 セル容量バランサ機能の現状
    • 4.4 安全性の現状
  • 5. リチウムイオンバッテリ材料の開発状況
    • 5.1 リチウムイオンバッテリ用正極電極材料
    • 5.2 リチウムイオンバッテリ用負極電極材料
    • 5.3 リチウムイオンバッテリ用電解質材料
  • 6. リチウムイオンバッテリのコスト動向
  • 7. 今後の展望

第2章 リチウムイオン二次電池の市場・ビジネスチャンス

第1節 二次電池による社会システム・イノベーション
第2節 EV・HEV・PHEVの市場動向
  • 1. 自動車を取り巻く環境
  • 2. 電動車両の開発の歴史
  • 3. 電動車両の形態
    • 3.1 EVの優位性
    • 3.2 HEVの目指すもの
    • 3.3 PHEVの目指すもの
  • 4. EV・PHEVをとりまく動き
  • 5. 電池のネックを補う取り組み
  • 6. 電動車両の将来
第3節 リチウムイオン二次電池構成材料の市場と規制・安全性規格
  • 1. 構成材料の試算と前提条件
  • 2. 中・小型Li-ionの材料市場 (正極負極)
  • 3. 自動車用Li-ionの材料市場
  • 4. Li-ion材料に関する規制
  • 5. 安全性に関する規格と試験方法 (概論)

第3章 リチウムイオン二次電池用負極材料

第1節 リチウムイオン二次電池用の次世代高容量負極材料の概況
  • 1. 炭素材料 (黒鉛) に代わる次世代高容量負極材料
    • 1.1 Liと金属間化合物を形成する負極材
    • 1.2 Liをインターカーレーションする負極材
  • 2. Li1.1V0.9O2負極材
第2節 リチウムイオン二次電池負極材料用チタン酸リチウム
  • 1. チタン酸リチウムの結晶化学と電気伝導性
  • 2. チタン酸リチウムの特徴
  • 3. チタン酸リチウムの合成方法
  • 4. チタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池の実用化
第3節 リチウムイオン二次電池用黒鉛負極材料/シリコン負極材料
  • 1. リチウムイオン電池用黒鉛負極材料の合成法
    • 1.1 MCMBの製法
    • 1.2 MCFの製法
    • 1.3 天然黒鉛と球状天然黒鉛の製法
    • 1.4 人造黒鉛の製法
  • 2. リチウムイオン電池用黒鉛の特性
  • 3. リチウムイオン電池用黒鉛への金属リチウムの析出
    • 3.1 低温における黒鉛負極への充放電曲線
  • 4. シリコン系負極材料
第4節 カーボンナノファイバーのリチオウムイオン二次電池電極への応用
  • 1. VGCF ® の製造方法と特徴
  • 2. 各種VGCF ® の物性
  • 3. VGCF ® のLIB電極用導電助剤としての添加効果
    • 3.1 サイクル寿命の改善
    • 3.2 高電極密度での電解液浸透性改善
    • 3.3 低繊維径/高アスペクト比VGCF ® -Sの効果
  • 4. VGCF ® のLIB電極用導電助剤としての今後の展開

第4章 リチウムイオン二次電池用正極活物質材料

第1節 リチウムイオン二次電池用正極活物質材料の開発動向及びニッケル系・三元系について
  • 1. Ni系の材料動向
    • 1.1 結晶構造
    • 1.2 製造方法
    • 1.3 安全性
  • 2. 三元系の材料動向について
    • 2.1 構造・組成
  • 3. 製造方法
  • 4. 特性
  • 5. 安全性
第2節 リン酸鉄系正極材料
  • 1. LiFePO4の製造方法
    • 1.1 製造方法の概略
    • 1.2 製造方法の比較
  • 2. 高容量化に向けた材料・電極設計
    • 2.1 小粒径化
    • 2.2 電気伝導性の向上
    • 2.3 電極の高密度化・厚膜化
    • 2.4 充放電特性
    • 2.5 サイクル特性
  • 3. リン酸鉄系正極材料の安定性・安全性
    • 3.1 熱的安定性
    • 3.2 電池の安全性
    • 3.3 電解液中への溶出
第3節 コバルトフリー正極活物質
  • 1. Li2MnO3系正極の魅力と高容量発現機構
  • 2. 鉄置換Li2MnO3正極の充放電特性に及ぼすFeイオンの役割と素材物性との関連
  • 3. 鉄およびニッケル置換Li2MnO3正極への展開
第4節 アセチレンブラック等導電助材の応用と電極の特性向上
  • 1. アセチレンブラックとは
    • 1.1 カーボンブラックのなかでのアセチレンブラックの位置付け
    • 1.2 アセチレンブラックの特徴
    • 1.3 アセチレンブラックの粉体特性
      • 1.3.1 嵩比重
      • 1.3.2 灰分
      • 1.3.3 水分、表面官能基
      • 1.3.4 金属不純物
  • 2. 高導電化への試み
  • 3. 導電助材としての適用 (正極)
    • 3.1 導電助材の働き
    • 3.2 電池性能
  • 4. 導電助材としての適用 (負極)
  • 5. その他の炭素材料

第5章 リチウムイオン二次電池用微粒子、スラリーの調製と塗工技術

第1節 リチウムイオン二次電池用バインダーの特性と結着技術
  • 1. セルの設計とバインダー
  • 2. セル内部の物理化学的な環境
  • 3. 実用セルのバインダー
    • 3.1 品種とメーカー
    • 3.2 PVDF/NMP 溶剤系
    • 3.3 SBR水分散系
    • 3.4 接着性と結着性の評価
  • 4. セル特性との関係
  • 5. 塗工スラリーの調製と工程
  • 6. 新規な活物質への対応
第2節 リチウムイオン二次電池用バインダーの高性能化とスラリー作製と乾燥技術
  • 1. 負極用バインダー
    • 1.1 負極用バインダーの変遷
    • 1.2 負極用バインダーの要求特性
    • 1.3 スラリー作製上の留意点
    • 1.4 乾燥工程上の留意点
    • 1.5 負極用バインダーの特徴
  • 2. 正極用バインダー
    • 2.1 新規正極活物質への対応
    • 2.2 水系バインダーの分散性
    • 2.3 正極バインダーの電気化学安定性
    • 2.4 水系正極バインダーを用いた電池の性能
第3節 リチウムイオン二次電池電極用微粒子の製造・調整技術
  • 1. 電池材料の粉砕技術
    • 1.1 粒子径分布に対する粉砕機種の影響
    • 1.2 焼成時間に対する粒子径の影響
  • 2. 電池材料の分級技術
    • 2.1 分級機による粒子径調整
    • 2.2 粗粉分級
    • 2.3 微粉分級
  • 3. ナノ粒子の生成と複合化
    • 3.1 熱プラズマプロセス
    • 3.2 ナノ粒子の製造例
    • 3.3 金属ナノ粒子の表面被覆
    • 3.4 複合ナノ粒子
第4節 リチウムイオン二次電池負極用微粒子塗膜の高性能化に向けた微粒子の調整
  • 1. 関連粒子物性
    • 1.1 粒子径
    • 1.2 粒子形状
      • 1.2.1 フーリエ形状指数の定義
      • 1.2.2 粒子形状調整
  • 2. 塗膜充填構造
    • 2.1 空孔径分布
  • 3. 透過特性
    • 3.1 透過圧力式
    • 3.2 圧力損失測定
  • 4. 充放電特性と塗膜・透過特性の関係
    • 4.1 高容量化に向けて
    • 4.2 黒鉛粒子による塗膜特性評価
      • 4.2.1 粒子物性と粉体特性
      • 4.2.2 塗膜特性
    • 4.3 充放電特性
      • 4.3.1 不可逆容量
      • 4.3.2 高速放電特性
      • 4.2.3 サイクル特性
第5節 リチウムイオン電池電極材スラリーの分散と連続生産技術
  • 1. CDMプロセス
  • 2. 電池電極材スラリーの分散効果
    • 2.1 微粒子材料の分散効果
    • 2.2 分散スラリー粘度の再現性
  • 3. フィルミックス分散効果の基礎検討結果と電池性能改善への期待
  • 4. CDMプロセスとスラリー製造コスト
  • 5. CDMプロセスラインナップと生産システム
  • 6. 実績と今後の展開
第6節 リチウムイオン電池用電極塗工技術
  • 1. 電極塗工での変動要素とその最適化
    • 1.1 塗工基材・塗工液
    • 1.2 塗工プロセス中の粘度変化
    • 1.3 その他の条件
  • 2. 精密塗工に必要なコーティングユニット
    • 2.1 定量ポンプ
    • 2.2 ダイ位置調整機構 (ダイサポート)
    • 2.3 バックアップロール
    • 2.4 バキュームボックス
  • 3. 効率改善と精度向上
    • 3.1 両面同時塗工
    • 3.2 多層同時塗工
    • 3.3 塗工分布検査と連続調整
  • 4. 薄膜・低粘度塗工
第7節 リチウムイオン二次電池製造におけるドライルーム設備
  • 1. リチウムイオン二次電池製造とドライルーム
  • 2. ドライルームの概要と構成機器
  • 3. ドライルームで使用する除湿機
  • 4. ドライルーム設計上の留意点
  • 5. 省エネルギー要求への対応

第6章 リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔

  • 1. 負極集電体に求められる特性
    • 1.1 製造工程のハンドリング
    • 1.2 活物質層との密着性
    • 1.3 高導電性
    • 1.4 電気化学的な安定性
    • 1.5 コスト
  • 2. 銅箔の製造方法と特徴
    • 2.1 圧延銅箔
    • 2.2 圧延銅箔の種類
    • 2.3 電解銅箔
  • 3. 次世代合金系負極に適した集電銅箔
    • 3.1 銅箔の機械的特性と充放電時の変形挙動
    • 3.2 実電池における電極変形挙動

第7章 リチウムイオン二次電池用電解液、電解質

第1節 リチウムイオン電池用 機能性電解液の最新開発動向と今後の展望
  • 1. 機能性電解液:初期型機能性電解液
  • 2. 機能性電解液:第二世代機能性電解液 (ナノコントロール)
  • 3. 機能性電解液:第三世代機能性電解液 (ECM型被膜形成)
  • 4. 機能性電解液:信頼性向上電解液 (アルミニウム集電体腐食抑制機能性電解液)
  • 5. 機能性電解液:ドラッグデリバリーアタック機能附加 (微小内部短絡防止技術)
第2節 リチウムイオン二次電池用電解質:イオン液体の合成と物性評価
  • 1. 四級ホスホニウム型イオン液体の製法と特性
    • 1.1 合成方法
    • 1.2 物理化学特性
    • 1.3 四級アンモニウム型イオン液体との比較
    • 1.4 電気化学的安定性
    • 1.5 熱安定性
  • 2. リチウム二次電池電解質としての四級ホスホニウム型イオン液体
    • 2.1 四級ホスホニウム型イオン液体中でのリチウムの電気化学的挙動
    • 2.2 四級ホスホニウム型イオン液体を電解質とするリチウム二次電池の充放電特性
第3節 フッ素系溶媒を用いた電解液の特性とリチウムイオン二次電池への応用
  • 1. フッ素系化合物の一般的特徴
  • 2. フッ素系添加剤/溶媒の研究例
  • 3. フルオロエチレンカーボネート
  • 4. フルオロエーテル
第4節 リチウム二次電池用ポリマー電解質材料の開発
  • 1. ドライポリマー電解質
  • 2. ポリマーゲル電解質
  • 3. 熱架橋ポリマーゲル電解質とそれを用いた電池の例
  • 4. リチウムポリマー電池の将来
第5節 無機固体電解質のリチウムイオン二次電池への応用
  • 1. 無機固体電解質
  • 2. 硫化物系固体電解質
  • 3. 酸化物系固体電解質
    • 3.1 酸化物系薄膜固体電解質 (LIPON)
    • 3.2 酸化物系セラミックス固体電解質
    • 3.3 酸化物系ガラスセラミックス電解質
    • 3.4 固体電解質の新しい応用

第8章 セパレータ

第1節 リチウムイオン二次電池用セパレータの特性と開発動向
  • 1. リチウムイオン二次電池用セパレータの機能
  • 2. セパレータの微細孔構造による電池特性への影響
  • 3. 次世代リチウムイオン二次電池の高機能化とセパレータ
第2節 アラミドセパレータを使用したリチウムイオン電池の電気特性と安全性
  • 1. アラミドセパレータの特徴
    • 1.1 アラミド
    • 1.2 アラミドセパレータ
  • 2. リチウムイオン電池
    • 2.1 リチウムイオン電池
    • 2.2 リチウムイオン電池の構造
    • 2.3 リチウムイオン電池の特徴
  • 3. アラミドセパレータを使用したリチウムイオン電池
    • 3.1 単層ラミネートセル
    • 3.2 初期特性
      • 3.2.1 充放電特性
      • 3.2.2 レート特性
      • 3.2.3 インピーダンス特性
    • 3.3 耐久性
      • 3.3.1 サイクル特性
      • 3.3.2 保存特性
    • 3.4 安全性
      • 3.4.1 過充電試験
      • 3.4.2 加熱試験
      • 3.4.3 強制内部短絡試験

第9章 リチウムイオン電池の安全化技術

  • 1. リチウムイオン電池の発熱要因と安全機構
    • 1.1 電池内部の発熱
    • 1.2 リチウムイオン電池の材料と主な安全機構
      • 1.2.1 電池材料
      • 1.2.2 電池構成部品
  • 2. リチウムイオン電池の発熱反応解析
    • 2.1 電池材料の発熱反応
      • 2.1.1 負極/電解液間の反応
      • 2.1.2 正極/電解液間の反応
    • 2.2 過充電反応 – 発熱反応解析と対策 –
      • 2.2.1 過充電時の電圧、温度変化
      • 2.2.2 過充電時のガス発生反応
      • 2.2.3 過充電正極の構造変化
      • 2.2.4 種々の温度に保持した恒温槽中での過充電
      • 2.2.5 過充電状態の負極の熱挙動
      • 2.2.6 過充電反応のメカニズム
      • 2.2.7 過充電耐性の向上
  • 3. リチウムイオン電池の安全性試験

第10章 リチウムイオン二次電池の測定・分析、安全性・信頼性評価

第1節 リチウムイオン二次電池のサイクリックボルタンメトリー (CV)測定および交流インピーダンス (ACI) 測定による特性評価
  • 1. 電極のCV応答から得られる情報
  • 2. CV応答の留意点
  • 3. 交流インピーダンススペクトル (ACIS) とは
  • 4. いくつかのACIS測定例
第2節 リチウムイオン二次電池の正極・負極の劣化評価
  • 1. 負極SEI膜の化学分析
  • 2. 負極表面析出物の分析
  • 3. 正極の最表面の分析
第3節 リチウムイオン二次電池の発熱挙動の測定・解析
  • 1. 記号
  • 2. 熱挙動解析モデル
    • 2.1 充放電反応と発熱因子
    • 2.2 代表電池温度モデル
    • 2.3 電池温度分布の一次元解析
  • 3.発熱因子の測定
    • 3.1 過電圧抵抗
      • 3.1.1 V-I特性による抵抗
      • 3.1.2 開回路電圧とセル電圧の差による抵抗
      • 3.1.3 間欠充放電による抵抗
      • 3.1.4 交流インピーダンス計による抵抗
    • 3.2 エントロピー変化の測定
  • 4. 電池の熱容量と熱伝達率の測定
    • 4.1 電池の熱容量の測定
    • 4.2 電池から外気への熱伝達率の測定
  • 5.電池温度上昇の解析と実測結果との比較
    • 5.1 測定した発熱因子の解析への取込み
    • 5.2 電池温度分布の一次元解析結果
    • 5.3 急送充放電時の解析と実測電池温度との比較
    • 5.4 充放電効率
第4節 リチウムイオン二次電池の安全性・信頼性評価
  • 1. リチウムイオン電池の適用分野
    • 1.1 電気自動車用電源
    • 1.2 モバイル機器用電源
    • 1.3 定置型電池
    • 1.4 リチウム資源
  • 2. リチウムイオン電池の安全性の現状
  • 3. リチウムイオン電池の安全性確保策
  • 4. リチウムイオン電池の法的規制
  • 5. リチウムイオン電池の安全性ガイドライン
    • 5.1 モバイル用小型電池の安全性ガイドライン
    • 5.2 電気自動車用蓄電池の標準化、規制等
    • 5.3 電力貯蔵用蓄電池の標準化、規制等
  • 6. リチウムイオン電池の非安全時の電池の挙動
  • 7. リチウムイオン電池の安全性劣化要因
  • 8. リチウムイオン電池の安全性評価の基本的考え方
  • 9. 電池の安全性試験項目例
第5節 開発・製品化におけるリチウムイオン二次電池の安全評価
  • 1. リチウムイオン二次電池の構造と安全性の関係
  • 2. リチウムイオン二次電池の規格と安全性試験項目
    • 2.1 安全性規格と試験内容
    • 2.2 安全性試験の目的
  • 3. リチウムイオン二次電池の安全性評価試験
    • 3.1 過充電試験
    • 3.2 外部短絡試験
    • 3.3 釘刺し試験
  • 4. リチウムイオン二次電池の実走行テスト
    • 4.1 実走行テスト内容
    • 4.2 実走行結果

第11章 組電池・電池マネジメント技術

  • 1. 目的
  • 2. 組電池設計
    • 2.1 基本
      • 2.1.1 電圧
      • 2.1.2 エネルギー量
      • 2.1.3 出力特性
      • 2.1.4 温度
    • 2.2 電池の選定
      • 2.2.1 安全性と品質
      • 2.2.2 電池特性
    • 2.3 接続構成
    • 2.4 モジュール化
      • 2.4.1 最大直列数
      • 2.4.2 単電池の配列
      • 2.4.3 単電池の支持
      • 2.4.4 単電池のリード端子の接続
      • 2.4.5 構造部材
      • 2.4.6 その他
    • 2.5 組電池システム構成
    • 2.6 電圧及び温度検出
  • 3. 電池マネジメント設計
    • 3.1 基本
    • 3.2 制御パラメータ
    • 3.3 電圧均等化
    • 3.4 保護回路
    • 3.5 寿命

執筆者

  • 小池 哲夫 : 電動車両技術開発(株) 代表取締役 兼 エナックス(株)
  • 宮田 秀明 : 東京大学
  • 清水 健一 : (独)産業技術総合研究所
  • 菅原 秀一 : 泉化研(株)
  • 小林 直哉 : (株)サムスン横浜研究所
  • 堺 英樹 : 東邦チタニウム(株)
  • 芳尾 眞幸 : 佐賀大学名誉教授
  • 福田 憲二 : 宇部興産(株)
  • 武内 正隆 : 昭和電工(株)
  • 荻須 謙二 : 戸田工業(株)
  • 斉藤 光正 : 住友大阪セメント(株)
  • 田渕 光春 : (独)産業技術総合研究所
  • 竹内 友成 : (独)産業技術総合研究所
  • 辰巳 国昭 : (独)産業技術総合研究所
  • 秋本 順二 : (独)産業技術総合研究所
  • 今泉 純一 : (株)田中化学研究所
  • 和田 徹也 : 電気化学工業(株)
  • 脇坂 康尋 : 日本ゼオン(株)
  • 薮内 庸介 : 日本ゼオン(株)
  • 秋山 聡 : 日清エンジニアリング(株)
  • 篠原 邦夫 : 微粒子化学工学研究所、北海道大学名誉教授
  • 大畠 積 : プライミクス(株)
  • 竹原 秀麿 : 児玉化学工業(株)
  • 西村 浩一 : 高砂熱学工業(株)
  • 小平 宗男 : 日立電線(株)
  • 吉武 秀哉 : 宇部興産(株)
  • 小玉 春 : 日本化学工業(株)
  • 米川 文広 : 日本化学工業(株)
  • 杉矢 正 : 日本化学工業(株)
  • 高 明天 : ダイキン工業(株)
  • 河野 通之 : エレクセル(株)
  • 印田 靖 : (株)オハラ
  • 中島 孝之 : 三菱化学(株)
  • 成瀬 新二 : デュポン帝人アドバンスドペーパー(株)
  • 大崎 隆久 : (株)東芝
  • 小山 昇 : 東京農工大学
  • 林 栄治 : (株)東レリサーチセンター
  • 恩田 和夫 : 豊橋技術科学大学名誉教授
  • 鳶島 真一 : 群馬大学
  • 馬場 彰太 : エナックス(株)
  • 深沢 保 : (株)ヒューズ

出版社

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体裁・ページ数

B5判上製本 437ページ

ISBNコード

ISBN978-4-903413-93-8

発行年月

2010年6月

販売元

tech-seminar.jp

価格

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