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次世代自動車用リチウムイオン電池の材料開発

  • Development and Research on Next Generation-Materials for Lithium-ion Rechargeable Battery for Automotive application
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★ リチウムイオン電池にターゲットを絞った材料開発および電池開発の現状と展望を紹介!
★ 車載用電池,その部品・材料メーカの開発担当者,各種電池開発メーカの技術者・研究者の方々に!

商品コード: T0641

  • 監修: 金村聖志
  • 発行日: 2008年9月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判,299ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0051-1

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  • HEV,LIB,正極材料,負極材料,電解液,セパレータ,バインダー,カーボン系,イオン液体

刊行にあたって

 CO2削減あるいは地球環境の保全,省エネルギーの社会的な背景から,エネルギー・環境の問題はますます重要となっている。その中で,エネルギー消費の比較的大きな運輸部門でのエネルギー消費が問題となっている。また,昨今のガソリン代の高騰も大きな社会的な問題となっている。このような社会背景のもと,ここで紹介する次世代自動車用リチウムイオン電池の開発がますます重要視されるようになっている。社会的ニーズの大きな研究課題である。
 そこで,本著ではプラグインハイブリッド車やハイブリッド車,電気自動車,さらには燃料電池車用のリチウムイオン電池にターゲットを絞って材料開発および電池開発の現状と展望についてまとめた。既に商用化されている小型民生機器用電池とは異なるリチウムイオン電池技術に関する研究開発が当然のことながら必要となっている。
 たとえば,より大きな電池あるいは大きな電池を複数組み合わせた電源モジュールとしての電池の作製をどのようにすればいいのか,より高い安全性を確保するにはどのような材料を使用しどのようなシステムで電池を作製すればいいのか,用途に応じたエネルギー密度あるいは出力密度はどの程度必要なのか,いろいろな観点からの検討が必要となっている。
 ここでは,正極材料,負極材料,電解質材料,セパレーター,システム設計,新しいリチウムイオン電池などについて最近の開発現状をまとめた。また,より基礎的な立場から,リチウムイオン電池の開発で鍵となる電解質と電極の界面現象に関しても取り上げた。電極材料と電解質により形成される界面の問題は,電池の充放電特性の挙動を左右するだけでなく,電池の寿命や電池の安全性にも大きく関連するものであり,ますます重要となっている。
 最後の章においては,自動車メーカーや電池メーカーにも実際の開発の立場から次世代自動車用リチウムイオン電池に関する現状の紹介を頂いた。このように,本書は基礎から応用面の広い範囲において次世代自動車用リチウムイオン電池の材料開発をまとめたものである。

2008年9月  首都大学東京 金村聖志

著者一覧

金村聖志   首都大学東京 都市環境科学研究科 環境調和・材料化学専攻 教授
風間智英   (株)野村総合研究所 グローバル戦略コンサルティング1部 上級コンサルタント
吉野 彰   旭化成(株) 吉野研究室 室長
福塚友和   京都大学 大学院人間・環境学研究科 助教
安部武志   京都大学 大学院工学研究科 准教授
坂口裕樹   鳥取大学 大学院工学研究科 化学・生物応用工学専攻 教授
飯田貴久   鳥取大学 大学院工学研究科 化学・生物応用工学専攻 助教
今西誠之   三重大学大学院 工学研究科 准教授
熊谷直昭   岩手大学大学院 工学研究科 フロンティア材料機能工学専攻 教授
門麿義浩   岩手大学大学院 工学研究科 フロンティア材料機能工学専攻 助教
秋本順二   (独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 結晶機能制御研究グループ 研究グループ長
岡田重人   九州大学 先導物質化学研究所 准教授
江頭 港   山口大学 大学院理工学研究科 准教授
上野和英   横浜国立大学 大学院 工学府 機能発現工学専攻 博士課程後期 日本学術振興会特別研究員
渡邉正義   横浜国立大学 大学院工学研究院 教授
松本 一   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 主任研究員
辰巳砂昌弘  大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 応用化学分野 教授
林 晃敏   大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 応用化学分野 助教
内本喜晴   京都大学 大学院人間・環境学研究科 教授
右京良雄   (株)豊田中央研究所 電池分野 特命主査
竹内要二   (株)豊田中央研究所 二次電池第1研究室
高田和典   (独)物質・材料研究機構 ナノスケール物質センター 主席研究員
獨古 薫   横浜国立大学 大学院工学研究院 機能の創生部門 准教授
鳶島真一   群馬大学 大学院工学研究科 応用化学・生物化学専攻 教授
堀江英明   東京大学 人工物工学研究センター 准教授 兼 日産自動車(株) 電子・電動要素開発本部 EVエネルギー開発部 次世代バッテリー研究グループ エキスパートリーダー
出町 敦   ホンダエンジニアリング(株) 基礎・機能部品領域企画センター 技術主任
弓取修二   (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 新エネルギー技術開発部 兼 燃料電池・水素技術開発部 兼 機械システム技術開発部 主任研究員 兼 研究開発推進部 主幹
西野 敦   西野技術士事務所;京都大学工学博士;技術士(化学部門)

目次

第1章 リチウムイオン電池への期待
1. 電動パワートレインの必要性
1.1 「適地適車」と「量産性」の両立
1.2 電動パワートレインの意義
2. 活発化する電動パワートレインの研究開発
2.1 原油価格高騰のインパクト
2.2 HEV市場の拡大
2.3 次世代の電動パワートレインの開発も積極的
3. 電動パワートレインの普及シナリオと課題
3.1 電動パワートレインの普及シナリオ
3.2 HEVの普及シナリオ
4. 電池メーカに求められること
4.1 コストの低減
4.2 軽量・コンパクト化
4.3 安全性、タフさ、寿命
5. HEV用LIBの共同開発
5.1 日系自動車メーカと日系電池メーカによる合弁会社設立
5.2 海外自動車メーカと電池メーカによる技術提携
5.3 海外Tier1サプライヤと電池メーカとの共同開発
6. まとめ

第2章 リチウムイオン電池と構成材料
1. リチウム系二次電池の原理と基本材料構成
1.1 リチウムイオン二次電池の原理
1.2 リチウムイオン二次電池の基本材料構成とこの10年の技術開発の流れ
1.3 この15年の要素技術別開発の流れ
1.3.1 正極材料
1.3.2 負極材料
1.3.3 正負組合せ
1.3.4 電解液
1.3.5 セパレータ
1.3.6 固体電解質
1.3.7 バインダー
1.4 まとめ

2. 負極材料
2.1 カーボン系
2.1.1 はじめに
2.1.2 黒鉛負極
2.1.3 難黒鉛化性炭素
2.1.4 新炭素材料
2.1.5 表面被膜と電解液
2.2 金属・合金系
2.2.1 はじめに
2.2.2 スズ系負極
2.2.3 ケイ素系負極
2.2.4 ゲルマニウム系負極
2.2.5 おわりに
2.3 その他セラミックス材料
2.3.1 はじめに
2.3.2 インターカレーション材料
2.3.3 コンバージョン反応材料
2.3.4 酸化物以外の材料
2.3.5 酸化物コンバージョン材料の課題と対応策
2.3.6 おわりに

3. 正極材料
3.1 マンガン系層状酸化物
3.1.1 はじめに
3.1.2 LiNizCo1-2zMnzO2
3.1.3 Co-free Li1+x(Ni1/2Mn1/2)1-xO2
3.1.4 Li1+x(Ni1/3Co1/3Mn1/3)1-xO2
3.1.5 その他のLi1+x(NizCo1-2zMnz)1-xO2
3.1.6 おわりに
3.2 スピネル型化合物
3.2.1 マンガンスピネル正極材料の特徴
3.2.2 スピネル型LiMn2O4の結晶構造の特徴
3.2.3 化学量論組成LiMn2O4の構造相転移
3.2.4 マンガンスピネルの化学組成の不定比性
3.2.5 4V級正極材料としてのマンガンスピネルアルミニウム置換体
3.2.6 5V級正極材料としてのマンガンスピネルニッケル置換体
3.3 次世代鉄系正極材料
3.3.1 はじめに
3.3.2 鉄系層状酸化物正極
3.3.3 リン酸鉄系ポリアニオン正極
3.3.4 フッ化鉄系ペロブスカイト正極
3.3.5 まとめ
3.4 正極活物質LiFePO4
3.4.1 はじめに
3.4.2 LiFePO4の合成方法
3.4.3 LiFePO4の充放電特性
3.4.4 LiFePO4の安定性
3.4.5 電極作成方法
3.4.6 おわりに

4. 電解質材料
4.1 電解液材料
4.1.1 電解液に要求される機能
4.1.2 電解液への難燃性付与のための新規溶媒の探索
4.1.3 新規電解質塩の探索
4.1.4 電解液添加剤の適用
4.1.5 おわりに
4.2 ポリマー電解質
4.2.1 緒言
4.2.2 ドライ系ポリマー電解質
4.2.3 有機溶媒を含むゲル電解質
4.2.4 イオン液体を含むゲル電解質
4.2.5 おわりに
4.3 イオン液体の基礎
4.3.1 はじめに
4.3.2 熱的性質
4.3.3 粘度
4.3.4 密度
4.3.5 イオン輸送特性
4.3.6 イオン性(自己解離性)
4.3.7 溶媒パラメータ
4.3.8 機能性イオン液体―リチウムイオン液体を例に―
4.3.9 おわりに
4.4 イオン液体を使った電池
4.4.1 はじめに
4.4.2 室温で溶融する塩の開発について
4.4.3 パーフルオロアニオンからなるイオン液体を用いた電池に関する報告
4.4.4 おわりに
4.5 無機系電解質
4.5.1 はじめに
4.5.2 無機固体電解質の分類
4.5.3 オキシスルフィドガラス電解質
4.5.4 硫化物ガラスセラミックス電解質
4.5.5 全固体リチウム二次電池への応用
4.5.6 おわりに

第3章 リチウムイオン電池の界面設計
1. 界面電気化学反応の解析
1.1 はじめに
1.2 電極/電解質界面でのリチウムイオン移動
1.3 正極/電解質界面の解析
1.4 負極/電解質界面の解析
1.5 電解質/電解質界面の解析
1.6 リチウム金属/高分子固体電解質界面での交換電流密度解析
1.7 おわりに

2. リチウムイオン電池の劣化要因の解析
2.1 はじめに
2.2 ニッケル酸リチウム―人造黒鉛電池
2.3 Mg置換Li(NiCoAl)O2系電池
2.4 まとめ

3. 電極・電解質界面修飾による全固体(セラミックス系)リチウムイオン二次電池の高出力化
3.1 はじめに
3.2 全固体リチウムイオン二次電池におけるナノイオニクス
3.3 硫化物固体電解質を用いた全固体リチウム電池における界面設計
3.4 全固体リチウムイオン二次電池における緩衝層の作製と高出力化
3.5 おわりに

4. 電極活物質単粒子の電気化学特性の解析
4.1 はじめに
4.2 電極活物質単粒子の電気化学測定のためのマイクロ電極システム
4.3 リチウムイオン電池正極活物質LiCoO2単粒子の電気化学特性
4.4 リチウムイオン電池負極活物質MCMB単粒子の電気化学特性
4.5 単粒子電極と多孔性電極の充放電特性の比較
4.6 おわりに

5. リチウムイオン電池の安全性
5.1 はじめに
5.2 市販電気自動車と電池
5.3 今後のリチウムイオン電池の自動車への適用
5.4 リチウムイオン電池の非安全時の電池の挙動
5.5 リチウムイオン電池の安全性劣化要因
5.6 リチウムイオン電池の市場トラブルの例
5.7 リチウムイオン電池の法的規制
5.8 市販リチウムイオン電池の安全性確保策
5.9 リチウムイオン電池の安全性評価の基本的考え方
5.10 リチウムイオン電池の安全性ガイドライン
5.11 リチウムイオン電池の安全性評価方法
5.11.1 加熱試験
5.11.2 内部短絡試験
5.11.3 圧壊試験
5.11.4 外部短絡試験
5.11.5 安全性試験対象と安全性試験前処理条件
5.12 リチウムイオン電池の安全性試験例
5.12.1 加熱試験
5.12.2 釘刺し試験
5.13 自動車用リチウムイオン電池の安全性評価試験項目
5.14 おわりに

第4章 自動車用リチウムイオン電池の開発
1. 自動車への要求事項
1.1 高性能環境車両用電池システム
1.2 電池に求めれる特性
1.2.1 性能用件の概論:出力と容量
1.2.2 電池の出力特性とエネルギー効率
1.2.3 熱的課題と設計
1.2.4 システムとしての組電池制御

2. 自動車から見たリチウムイオン電池
2.1 はじめに
2.2 持続可能な社会における自動車
2.3 HEVの種類と現状
2.4 リチウムイオン電池への期待と現状
2.4.1 性能から見た期待
2.4.2 安全性について
2.4.3 材料供給、コストについて
2.5 おわりに

3. 日本における自動車用リチウムイオン電池開発のための産学官連携プロジェクト
3.1 はじめに
3.2 産学官連携プロジェクトに関するこれまでの経緯
3.3 分散型電池電力貯蔵技術開発
3.4 燃料自動車等用リチウム電池技術開発
3.5 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発
3.6 おわりに

4. 自動車用途としての電気二重層キャパシタ(EDLC)の技術動向
4.1 EDLC種類と製品化の歴史
4.1.1 はじめに
4.1.2 電池とEDLCの位置づけ
4.1.3 自動車用EDLCの活躍状況
4.2 EDLC製品化の歴史
4.2.1 電気二重層キャパシタ(EDLC)種類とEDLC実用化の歴史
4.2.2 EDLCの各サイズ別、応用機器、活性炭材料との歴史
4.3 EDLCの最近の応用展開
4.3.1 概要(回生制動応用と産業用応用)
4.3.2 EDLCの自動車への応用展開
4.3.3 HEVの種類と電源構造
4.3.4 フォークリフトへのEDLCの採用例
4.4 ガス透過安全弁
4.5 まとめ
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