補助事業番号

2023M-331

補助事業名

2023年度 活物質塗工層を高密度化した高エネルギー・高出力Ni系リチウムイオン電池の開発 補助事業

補助事業者名秋田大学 電動化システム共同研究センター 安部勇輔

１ 研究の概要
本研究では，Ni高含有層状正極材料をリチウムイオン電池の正極に採用してそのエネルギー密度向上を図るとともに，電極製造時における電極表面をプレスする印加荷重を高めて電極の塗工層を高密度化することで，リチウムイオン電池の出力性能を高めた。電極製造時の印加荷重を1～13 tの範囲で変化させて，電極を製造してその電気化学特性を評価した結果，10 t以上の高荷重を印加した電極から高出力時においても高エネルギー密度が示された。さらに，10 tの荷重を印加して製造した電極を用いてコイン型リチウムイオン電池フルセルを組立て，その充放電特性を評価したところ，0.1 C（10時間の充放電電流レート）の低Cレートでは430 Wh/kg（正負極の活物質質量基準）のエネルギー密度が得られた。また，Cレートを高めてそのリチウムイオン電池フルセルを大電流短時間充放電させたところ，0.1 Cに対する2 C（30分の充放電電流レート）のエネルギー密度保持率は80%を達成した。さらに，同印加荷重条件で製造した電極を用いて設計容量18mAh級のラミネート型リチウムイオン電池フルセルを試作し，その充放電特性を評価した。コイン型リチウムイオン電池による評価結果と同様の傾向が確認され，比較的大容量のリチウムイオン電池においても，高荷重印加による電極の塗工層高密度化の効果を確認することができた。
２ 研究の目的と背景
輸送機器業界において，モビリティの動力システムを電動機や蓄電池などで構成する電動化の流れが旺盛である。その蓄電池には，リチウムイオン電池が採用される傾向が強い。したがって，リチウムイオン電池の高性能化（高エネルギー密度，高出力密度，長寿命など）は，自動車業界ならびに輸送機器業界におけるモビリティの電動化を強力に後押しする。本研究の目的は，高エネルギー密度および高出力密度を兼ね備えたNi系リチウムイオン電池を開発することである。エネ
ルギー密度や出力密度などリチウムイオン電池の諸性能は，正負極に使用する活物質の種類，あるいは電極やセルの設計に大きく左右される。そこで，本研究では，リチウムイオン電池の正極にNi高含有層状正極材料を採用し，そのエネルギー密度の向上を目指した。さらに，そのNi高含有層状正極材料を用いた電極の製造時において，電極表面をプレスする印加荷重を様々に変化させて，電極の塗工層のかさ密度を変化させることによって，リチウムイオン電池の出力性能への影響を調査した。本研究は，電極材料の選択によってリチウムイオン電池のエネルギー密度を高め，さらには電極設計の観点からその出力性能の向上に挑んだ。

３ 研究内容（１）活物質塗工層を高密度化した高エネルギー・高出力Ni系リチウムイオン電池の開発(http://www.ee.akita-u.ac.jp/~kumagai-lab/profile2_JKA2023.html)
本研究では，Ni高含有層状正極材料を用いて，リチウムイオン電池用電極を製造した（図１参照）。
その電極製造過程において，Ni高含有層状正極材料が塗布された電極シート表面を1，3，10および13 tの荷重でプレスして，異なる印加荷重で電極表面をプレスしたリチウムイオン電池電極を製造した。その電極の電気化学特性およびリチウムイオン電池の充放電特性を評価するため，コインセルを用いて，リチウムイオン電池フルセルを組み立てた（図2参照）。組み立てたリチウムイオン電池フルセルを0.1から10 CまでCレートを段階的に増加させて，その時の出力密度に対するエネルギー密度を評価した。その結果，10 tの印加荷重で製造した電極を用いるリチウムイオン電池フルセルから，0.1 C（10時間充放電電流レート）において430 Wh/kg（正負極活物質の質量基準）が示され，2 CまでCまでレートを増加させるとそのエネルギー密度を80%まで保持することが可能であった。

図1

図2

リチウムイオン電池正極の製造フロー

コイン型リチウムイオン電池フルセルの組立図

図3

コイン型リチウムイオン電池フルセルのラゴーンプロット

４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
本研究の実施により開発した高エネルギー密度および高出力密度を兼ね備えたNi系リチウムイオン電池は，主に電力業界や輸送機器業界におけるアプリケーションへの応用が期待できる。リチウムイオン電池は他の蓄電池と比べてエネルギー密度が高く，少ない量で多くのエネルギーを貯蔵できる。この蓄電池として優れた特徴は，大容量にエネルギーを貯蔵する用途，例えば，再生可能エネルギー発電所や電力系統用の蓄エネ設備において利用が考えられる。最近，自動車や船舶など輸送機器から多量に排出される排気ガスが環境問題となっていることを懸念し，その動力システムにおいては内燃機関から電動システム（電動機，電力変換器，蓄電池など）への移行が進んでいる。こうしたモビリティ系の用途においては，エネルギーの急速な放出あるいは貯蔵が必要となり，言い換えると出力性能の高い蓄電池が求められる。本研究では，エネルギーを高密度に貯蔵できるだけでなく，より高い出力でも高密度にエネルギー貯蔵できるリチウムイオン電池の開発に成功した。それゆえ，電力インフラや交通インフラなどを支える基盤技術に対して，本研究の成果は役立つと考えている。
５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
事業代表者は，大学院生時代からリチウムイオン電池に関する研究を継続してきた。リチウムイ
オン電池における電極およびセルの設計技術を追求し，より高性能なリチウムイオン電池の開発を目指してきた。従来のリチウムイオン電池は正極材料の原料にコバルトが多量に使用され，そのコバルト系正極材料を用いたリチウムイオン電池は充放電性能のさらなる向上やコスト低減が課題として残されていた。最近，正極材料に関して脱コバルト化の動きが盛んであり，コバルトの一部をニッケルやマンガンで置換したいわゆる多元系正極材料が低コスト化および高性能化の観点から注目されている。特に，ニッケル含有量の高い正極材料はリチウムイオン電池のエネルギー密度を向上できるとして期待されている。しかしながら，ニッケル高含有の正極材料を用いたリチウムイオン電池は出力性能やサイクル寿命が，他の正極材料を用いたリチウムイオン電池に比べて劣り，それらの性能改善が要求されていた。本研究では，Ni高含有層状正極材料を採用することでリチウムイオン電池のエネルギー密度を高めるとともに，電極設計に着目してその出力性能の改善を試みた。エネルギー密度および出力密度の双方が高いリチウムイオン電池の開発は学術界および産業界においてニーズが高く，電極の設計パラメータがリチウムイオン電池の充放電特性へ与える影響の解明は学術的にも興味深い。それゆえ，本研究は蓄電池分野においても十分に意義のある研究だと考えられる。
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等
学会発表
1) 熊谷悠希，安部勇輔，孫賽凡，高橋瑛斗，熊谷誠治，三元系Liイオン電池フルセルにおける正極活物質塗工層の高密度化が充放電特性に与える影響，日本素材物性学会令和5年度（第33回）年会，秋田市，2023年6月13日．

2) 安部勇輔，熊谷悠希，高橋瑛斗，熊谷誠治，活物質塗工層の高密度化がハイニッケル系リチ
ウムイオン電池のサイクル特性に及ぼす影響，令和6年電気学会全国大会，徳島市，2024年3月14日．
７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの・リチウムイオン電池（コインセル・ラミネートセル多数）
・インターネット公開資料 (①http://www.ee.akita-u.ac.jp/~kumagai-lab/profile2_JKA2023.html，②https://researchmap.jp/yabe60908953/published_works)（２）（１）以外で当事業において作成したもの
・研究交流発表会用ポスター1枚 (令和5年度秋田大学大学院生研究交流発表会)
・成果発信用ポスター2枚 （秋田大学理工学部1号館館内および電動化システム共同研究センタ
ー新世代モーター特性評価ラボに掲示）
８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 秋田大学 （アキタダイガク）
住所： 〒010-8502
秋田県秋田市手形学園町１－１理工学部１号館４０５

担

当者： 助教 安部 勇輔（アベ ユウスケ）

担 当 部 署： 大学院理工学研究科 数理・電気電子情報学専攻 電気電子工学コース（ダイガクインリコウガクケンキュウカ スウリ・デンキデンシジョウホウガク
センコウ デンキデンシコウガクコース）
E - m a i l： yusuke_abe@gipc.akita-u.ac.jp
ＵＲ

Ｌ： http://www.ee.akita-u.ac.jp/~kumagai-lab/