プロジェクト課題

高安全リチウム電池
背景・目的
低炭素社会の実現に向けて、高いエネルギー貯蔵効率を有するリチウム電池の安全性の向上が求められている。
本課題では、安全性に優れる全固体型のリチウム二次電池を開発することによって、太陽光発電、風力発電などの再生可能エネルギーの大量導入時に必要となる電力貯蔵用電池の実用化を図る。平成 2 1 年度は、材料・製造プロセスの低コスト化が期待できる高分子固体電解質（SPE）の正極・負極の特性改善、ならびに kWh 規模のモジュール（集合電池）のエネルギー密度算定法の開発を行う。

主な成果
1．平板全固体型リチウム電池の試作
赤城試験センターのドライルーム（吹き出し露点温度 − 7 0℃以下）内に電極塗布装置等を設置し、平板全固体型リチウム電池の試作が可能となった（図 1）。
2．全固体型リチウム二次電池の入出力特性解析
正極・負極間に封入する SPE のリチウム塩濃度に関して、正極／ SPE 間の界面抵抗（正極／ SPE 間のリチウムイオンの出入りのしやすさ）には最適点があること（図 2）、正極／ SPE 間の界面抵抗の方がリチウムイオン導電率よりも電池の入出力特性を左右することを明らかにした（図 3）［Q 0 9 0 0 1］。
3．電極構成材料による炭素系負極の性能向上
充放電繰り返し後の電池の 7 0％容量維持率は、電極中の結着剤（粒子状材料の成形剤）が汎用品のフッ素樹脂（ポリフッ化ビニリデン；PVDF）の場合は 3 5 0 回であるのに対して、合成ゴム（スチレンブタジエンゴム；SBR）では約 2 倍の 7 0 0 回まで寿命が延伸することを明らかにした（図 4）［Q 0 9 0 1 0］。
4．リチウムイオン電池（LIB）のエネルギー密度の算定法の開発
各種正極・負極材料、電極・電解質厚さ、電極充填密度、集電体厚さ等をパラメータとする、電池のエネルギー密度算定法を開発した。この算定法を用いて推定した結果、現行材料の組み合わせによるエネルギー密度の上限値は、実績があって現在最もエネルギー密度の高い電池の約 2 割増、電気自動車等で実用化されている既存の大型LIB の 2 〜 3 倍まで達成可能であるが、全固体型リチウム二次電池（LIPB）では、最大エネルギー密度がさらに高密度まで達成可能であることが示され（図 5）、LIPB は安全性も兼ね備えた次世代二次電池として有用であることが示された［Q 0 9 0 0 6］。

66環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術   ［電極塗布装置］  
［正極塗布工程］  
［電極貼り合わせ工程］[電極塗布装置][正極塗布工程][電極貼り合わせ工程][正極塗布工程][電極貼り合わせ工程]
図[電極塗布装置]
1 ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程
図1
ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程
図 1[電極塗布装置]
ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程[正極塗布工程][電極貼り合わせ工程]
図 1 ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程[電極塗布装置][正極塗布工程][電極貼り合わせ工程][電極塗布装置][正極塗布工程][電極貼り合わせ工程]
図 1 ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程
図 1 ドライルーム内に設置した全固体型リチウム電池試作設備と平板型電池試作工程

図
図 33 電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図
電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図
SPE
中のリチウム塩濃度に対する正極
図
SPE中のリチウム塩濃度に対する正極/
図図2 22SPE中のリチウム塩濃度に対する正極
図 3 電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図
正極/SPE
界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE
正極/SPE
界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE
3 電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図/SPE
界面抵抗の関係/SPE
界面抵抗の関係
図界面抵抗の関係
2 SPE 中のリチウム塩濃度に対する正極 正極図
SPE/SPE
界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき電池内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき電池正極/SPE
界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE充電状態(SOC)に関係なく、[Li]/[O]=0.1
近充電状態(SOC)に関係なく、[Li]/[O]=0.1
近図
3
電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図/SPE
界面抵抗の関係充電状態（SOC）に関係なく、［Li］/［O］＝0.1
内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき
図 2 SPE 中のリチウム塩濃度に対する正極図入出力特性も最も良い。
3
電池入出力特性を左右する要因の相関イメージ図
入出力特性も最も良い。
内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき電池傍で界面抵抗が極小となることを見出した。
図傍で界面抵抗が極小となることを見出した。
2 SPE充電状態(SOC)に関係なく、[Li]/[O]=0.1
中のリチウム塩濃度に対する正極正極/SPE 界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE近 電池入出力特性も最も良い。
近傍で界面抵抗が極小となることを見出した。
/SPE 界面抵抗の関係
正極/SPE
界面のリチウムイオンの動きやすさは、SPE入出力特性も最も良い。
/SPE 界面抵抗の関係
内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき電池傍で界面抵抗が極小となることを見出した。
充電状態(SOC)に関係なく、[Li]/[O]=0.1 近内リチウム塩濃度が「中」のとき最も良く、このとき電池充電状態(SOC)に関係なく、[Li]/[O]=0.1 近入出力特性も最も良い。
傍で界面抵抗が極小となることを見出した。 入出力特性も最も良い。
傍で界面抵抗が極小となることを見出した。

図4

図
図 44 炭素系負極材料中の結着剤による充炭素系負極材料中の結着剤による充放電繰り返しサイクルに対する可逆容量特放電繰り返しサイクルに対する可逆容量特図
図 4 炭素系負極材料中の結着剤による充図 55 リチウム電池のエネルギー密度
リチウム電池のエネルギー密度性の変化
性の変化
電池エネルギー密度算定法にもとづいて放電繰り返しサイクルに対する可逆容量特電池エネルギー密度算定法にもとづいて
図 5 リチウム電池のエネルギー密度
図 4 炭素系負極材料中の結着剤による充PVDF：ポリフッ化ビニリデン
図4 炭素系負極材料中の結着剤による充PVDF：ポリフッ化ビニリデン
各種リチウムイオン電池（LIB）のエネルギー性の変化
各種リチウムイオン電池（LIB）のエネルギー
電池エネルギー密度算定法にもとづいて放電繰り返しサイクルに対する可逆容量特5 リチウム電池のエネルギー密度
炭素系負極材料中の結着剤による充放電繰り返
図 5図 リチウム電池のエネルギー密度
SBR：スチレンブタジエンゴム
放電繰り返しサイクルに対する可逆容量特SBR：スチレンブタジエンゴム
密度、全固体型リチウム二次電池（LIPB）のPVDF：ポリフッ化ビニリデン
図 5 各種リチウムイオン電池（LIB）のエネルギーリチウム電池のエネルギー密度密度、全固体型リチウム二次電池（LIPB）の性の変化
電池エネルギー密度算定法にもとづいてしサイクルに対する可逆容量特性の変化
電池エネルギー密度算定法にもとづいて各種リチ性の変化
エネルギー密度限界値を推定した。
SBR：スチレンブタジエンゴム
電池エネルギー密度算定法にもとづいてエネルギー密度限界値を推定した。
密度、全固体型リチウム二次電池（LIPB）のPVDF：ポリフッ化ビニリデン
各種リチウムイオン電池（LIB）のエネルギー
PVDF：ポリフッ化ビニリデンウムイオン電池（LIB）のエネルギー密度、全固PVDF：ポリフッ化ビニリデン
各種リチウムイオン電池（LIB）のエネルギーエネルギー密度限界値を推定した。
SBR：スチレンブタジエンゴム
密度、全固体型リチウム二次電池（LIPB）のSBR：スチレンブタジエンゴム体型リチウム二次電池（LIPB）のエネルギー密
SBR：スチレンブタジエンゴム密度、全固体型リチウム二次電池（LIPB）のエネルギー密度限界値を推定した。
度限界値を推定した。
エネルギー密度限界値を推定した。

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