大容量Liイオン電池の材料技術と市場展望

大容量Liイオン電池の材料技術と市場展望

Material Technologies and Market Prospects for Large-scale Lithium-ion Battery

  • データは実用セルのAhサイズとし、実用環境で評価・考察! セルのエネルギー特性とパワー特性を区別!
  • 正・負極材は、実際の工業製品レベルで現在の組成と特性を詳述! 電解液・電解質は安全性(試験)との関係を考察!
  • 電極板の製造工程とセル組立から初充電まで,原材料の特性との関連で詳述! 大型Liイオン電池へのスケールアップをセル構成と原材料から考察!
  • 2020年までの大容量Liイオン電池と構成材料の市場を展望!
価格 68,000円+税 出版社 シーエムシー出版
監修 吉野彰 発行日 2012年8月
体裁 B5判、279ページ ISBNコード ISBN 978-4-7813-0627-8
商品コード T0871    

発刊にあたって

1995年から始まったIT社会化の波は世界に大きな変革をもたらした。この流れの中で日本で生まれたリチウムイオン電池技術は携帯電話、ノート型パソコンなどのモバイル機器の世界的普及に大きな貢献をしてきた。そして今、第二の波が押し寄せてきている。電気自動車の普及、電気エネルギーの効率的な貯蔵技術の実用化など、資源・環境・エネルギー問題を解決する一つの手段として、リチウムイオン二次電池技術はこれから更に進歩していかねばならない。そのためには技術開発を効率的に進めることが不可欠であるが、材料技術と電池技術の両面からの視点で技術を正確に判断し、開発方向を見定めることが技術開発成功のキーとなる。

こうした背景のもと、本書刊行の第一の意図は材料メーカーと電池メーカーで豊富な経験をされている菅原氏に材料技術と電池技術の両方の観点からリチウムイオン電池技術の現状分析、課題の認識、今後の開発方向をまとめていただく点にある。菅原氏は呉羽化学(現クレハ)でのバインダー材料、負極材料の研究開発とその事業化に携わられた後、三井物産に移られ電池材料の販売と用途開発を経験されている。その後もエナックスでは電池開発、電池製造、パック製造とその販売に携わられており、電池の材料技術からパック化技術までの一連の経験を有されている多才な方である。その菅原氏の目から見た今後の技術動向の執筆は読者に有益な示唆を与えるものと思う。

本書刊行の第二の意図は電気自動車などの中・大型電池の将来市場の予測である。現在極めて流動的な状況にあるが、野村総合研究所の風間、藤田、坂本、合田の各氏に豊富な経験とデータをもとに市場予測とその背景について解説いただく。

上記の意図に基づいた本書が電池分野に関係されている方々のお役に立てば幸いに思う。

吉野 彰 (旭化成(株) 吉野研究室長)

キーワード

大容量リチウムイオン二次電池/セル/市場展望/原材料/構成材料/正極/負極/活物質/導電剤/バインダー/セパレータ/電解液/電解質/集電箔/ラミネート/EV/定置型/電気自動車

著者一覧

菅原秀一
泉化研(株) 代表
風間智英
(株)野村総合研究所 自動車・ハイテク産業コンサルティング部 グループマネージャー
藤田誠人
(株)野村総合研究所 自動車・ハイテク産業コンサルティング部 副主任コンサルタント
坂本遼平
(株)野村総合研究所 自動車・ハイテク産業コンサルティング部 コンサルタント
合田索人
(株)野村総合研究所 自動車・ハイテク産業コンサルティング部 コンサルタント

目次

第1章 大型リチウムイオン電池(セル)の現状と開発動向菅原秀一

  • 1 セルの電気化学的な構成と材料
  • 1.1 リチウムイオン電池の特徴と動作
  • 1.2 セルの電圧と正常動作領域
  • (1) 動作する電圧の範囲
  • (2) セル内部の電気化学
  • 1.3 正極・負極の電位と電解液の電位窓
  • (1) 電位窓
  • (2) 汎用の電解液
  • 1.4 セルの過充電、過放電とイオン伝導性
  • (1) ノイマン機構と過充電
  • (2) 過充電からの保護
  • (3) イオン伝導と電気伝導の向上
  • 1.5 セルの電極面積と正極活物質
  • 1.6 正極活物質の電子伝導性とセルの内部抵抗
  • (1) 電子伝導性
  • (2) セルの内部抵抗
  • 1.7 セルの性能向上と伝導性の維持
  • 1.8 標準セルモデルの体積と重量試算
  • (1) セルの体積と重量
  • (2) 製品セルの重量例
  • (3) Ah容量の設定
  • 1.9 リチウムイオンセルの構成原材料
  • (1) 基本的な機能
  • (2) 正・負極開発品の性能
  • (3) 電解液など
  • (4) その他の部材
  • 1.10 劣化から見たリチウムイオンセル
  • (1) 劣化と改良の観点から
  • (2) 原材料の劣化の原因と結果
  • (3) 工業製品としてのセル
  • 1.11 リチウムイオンセルと温度
  • (1) 温度を軸にした見方
  • (2) 発熱の起点
  • (3) 低温特性
  • 2 大型リチウムイオンセルのエネルギー、パワーおよびサイクル特性
  • 2.1 エネルギー(高容量)特性とパワー(高入出力)特性
  • (1) エネルギー型、パワー型
  • (2) Rogoneプロット
  • (3) 交通システムのパターン
  • 2.2 セルの出力密度と放電・出力特性
  • (1) Li-ionとNi-MH
  • (2) 出力密度の比較
  • (3) SOCの幅
  • (4) 高出力のセル設計
  • 2.3 最大充電・放電電流
  • 2.4 サイクル特性
  • (1) 実用セルのサイクル特性評価
  • (2) 正・負極の電位
  • 2.5 充電側SOC抑制と放電容量の維持
  • (1) 保存劣化を含めた評価
  • (2) 1/2乗則による推定
  • (3) ドイツVDA
  • (4) カタログ寿命データ例
  • 3 拡大する用途-自動車、自然エネルギー蓄電
  • 3.1 自動車用途
  • (1) 電池の生産規模の仮定
  • (2) 電動化自動車の電池容量と出力
  • (3) 自動車用リチウムイオン電池の諸課題
  • 3.2 据置き型蓄電システム
  • (1) 自然エネルギーの蓄電システム(変換効率と電力規定)
  • (2) 自然エネルギー発電の出力変動
  • (3) 自然エネルギーの蓄電パターン
  • (4) 自然エネルギー蓄電用デバイス
  • 3.3 電動工具、アシスト自転車などの中型リチウムイオンセル
  • (1) 電動アシスト自転車用リチウムイオン電池
  • (2) 電動工具用リチウムイオン電池
  • 4 大型電池(セル)へのスケールアップ、生産と原材料
  • 4.1 リチウムイオンセル生産のスケールアップ
  • (1) 全体の生産スケール
  • (2) 自動車用途
  • 4.2 リチウムイオンセル生産と原材料
  • (1) 小型、中型と大型へのシフト
  • (2) 大容量のEV用セル
  • (3) 安全性試験などとの関連
  • (4) 電解液など関連材料
  • (5) 原材料の市場スケール
  • 4.3 リチウムイオンセル生産設備とシステム
  • (1) 小型民生用セルの技術蓄積
  • (2) セルの製造プロセス
  • (3) セル組立の自動化
  • (4) セルの実需と原材料の供給
  • 5 技術開発のロードマップと基本三課題
  • 5.1 技術開発ロードマップと電池コスト
  • 5.2 高エネルギー型リチウムイオン電池の開発
  • 5.3 高パワー型リチウムイオン電池の開発
  • 5.4 長ライフ型リチウムイオン電池の開発
  • 5.5 海外の開発ロードマップ
  • (1) EUCARの開発ロードマップ
  • (2) DOEの開発ロードマップ

第2章 電池(セル)の構造、構成、設計と特性菅原秀一

  • 1 小型、中型と大型
  • 1.1 セルの形状と容量、集電と端子
  • (1) 形状と容量
  • (2) 集電と端子
  • 1.2 セルの規格・規制マップ
  • (1) 規格マップ
  • (2) EV用捲込電極セル
  • (3) EV用ラミネートセル
  • 2 円筒・角型函体収納およびラミネート型
  • 2.1 セルの構造と集束・集電方法、外装材
  • (1) セル構造と端子付け
  • (2) セルの電極体と集電方法、端子と外装材
  • 2.2 セルとモジュールの比重の比較
  • 2.3 円筒型セルとラミネート型セル
  • (1) セルの発熱挙動
  • (2) セルの設計仕様の差
  • (3) 大型の円筒型セルの例
  • (4) 公開特許図にみる内部構造
  • (5) 大容量セル
  • 2.4 EV、PHEV用セルの構成と構造
  • 2.5 ラミネート型セルの構成と構造
  • 2.6 セルのエネルギー特性とパワー特性
  • 3 セル、モジュールおよび電池ユニット
  • 3.1 セル、モジュール、電池ユニットとBMC
  • 3.2 セルとモジュールの特性
  • 3.3 セルの直列・並列特性と過充電
  • (1) セルの直列・並列組み合わせ
  • (2) 並列セルの定電圧充電
  • (3) 直列セルの定電流充電
  • (4) 過充電セルと膨張
  • 3.4 大容量ユニットのBMS
  • 4 EV、HEVとPHEV用リチウムイオン電池の種類と特性
  • 4.1 電池設計と材料試算の手順およびフィードバック
  • 4.2 EV、HEVとPHEVの電池容量
  • 4.3 EV、HEVとPHEVの容量と電動モーター出力
  • 5 活物質の特性とセルの容量設計
  • 5.1 電池設計と活物質
  • (1) 設計容量
  • (2) 充電と放電容量
  • (3) 容量測定チャート
  • 5.2 生産用正極材の仕様と測定方法
  • 5.3 生産用負極材の仕様と測定方法
  • (1) 負極材の多様性
  • 5.4 高性能正極の製品化事例
  • (1) ハイニッケル18650円筒型セル
  • (2) 合金系負極材への移行
  • 5.5 リチウムイオンセルの設計
  • 5.6 研究、試作、製品への流れとその評価
  • (1) 極の構成と評価項目
  • (2) "評価"セル
  • (3) Ahクラス試作セル
  • 5.7 実用セルの設計
  • (1) 正極・負極の容量バランス
  • (2) 実用セルの設計と制約
  • (3) 電極面積と活物質量
  • (4) セルの設計ステップ
  • (5) マージンを含むセルの活物質設計
  • (6) 製造工程の歩止まり(材料ロス)
  • 5.8 原材料コストの試算
  • 6 充放電チャートとその読み方
  • 6.1 リチウムイオン電池の測定規格と性能試験
  • 6.2 初充(放)電工程における条件と測定項目
  • 6.3 定電流と定電圧充電の経過
  • 6.4 電圧データの読み方
  • (1) 電圧のプロファイル
  • (2) SOCと電圧
  • 6.5 大型セルの充放電特性データ
  • (1) CC、CV充電と放電
  • (2) 放電容量データの取り方

第3章 原材料の基本特性と性能向上菅原秀一

  • 1 正極材
  • 1.1 実用セルとしての正極材
  • (1) 正極材の重要性
  • (2) 本章のポイント
  • 1.2 正極活物質の分解と酸素発生
  • 1.3 正極活物質と容量
  • (1) 正極活物質のLiXと容量の関係
  • (2) 最近の多元系材料
  • (3) 活物質の理論容量計算
  • (4) 正極・負極材の容量
  • (5) 実用(最大)放電容量
  • (6) 放電電圧とセル電圧の互換性
  • (7) 正極材の粒径、比表面積
  • 1.4 高容量正極材の合成
  • (1) 合成方法の変遷
  • (2) 噴霧熱分解法
  • (3) 顆粒粒子と電極板
  • 1.5 新しい正極材の開発と特性
  • (1) 多元系正極材
  • (2) 放電容量と測定方法
  • (3) 正極の不可逆容量
  • (4) 高容量正極材
  • (5) 新規活物質の特徴と問題
  • (6) NMC三元系正極
  • (7) 高容量正極材の問題点
  • (8) 高容量化と高電圧充電
  • (9) 充放電効率の低下
  • 1.6 鉄リン酸リチウム(オリビン)正極
  • (1) LFPの特性と電極加工
  • (2) カーボンコーティング
  • (3) LFP正極セルの開発事例
  • (4) LFP正極セルの放電容量と放電電圧パターン
  • (5) 放電容量維持率
  • 2 負極材
  • 2.1 負極材の進歩と容量の拡大
  • 2.2 炭素系負極材
  • (1) 炭素系負極材の種類
  • (2) 原料と電極板(天然黒鉛の例)
  • (3) 不可逆容量の原因と対策
  • (4) 放電電圧のプロファイル
  • 2.3 負極材の特性
  • (1) 炭素系負極の原料、容量と電位
  • (2) 負極の電位とセルの動作
  • (3) 電解液との反応と安全性
  • (4) 負極材の粒径と比表面積
  • 2.4 新しい負極材の開発と特性
  • (1) 開発事例
  • (2) 合金系負極セルの製品化
  • (3) 負極材製造における諸問題
  • 2.5 チタン酸リチウム(LTO)負極材
  • (1) LTOの充放電
  • (2) LTOセルの設計
  • (3) LTO負極のエネルギー密度と相対比較
  • (4) カーボンコーティングLTOと容量
  • (5) 負極規制とセルの充放電
  • (6) 各社のLTO負極セル
  • 2.6 正負極材の役割、特性と安全性
  • 2.7 活物質関連の文献資料
  • 3 導電剤
  • 3.1 導電剤の概要
  • (1) 基本機能
  • (2) 添加と粉体加工
  • (3) 導電以外の作用
  • (4) 新たな技術課題
  • 3.2 正極における導電剤の添加効果
  • 3.3 導電剤の機能と配合
  • 3.4 導電性カーボン
  • (1) 電気化学的安定性
  • (2) 炭素材料と不可逆容量
  • 3.5 活物質粒子の複合化と導電剤の粉体加工
  • (1) 粉体加工
  • (2) 活物質のメカノケミカル処理
  • 3.6 繊維状導電剤
  • 4 バインダー
  • 4.1 バインダーの役割とセル内の電気化学環境
  • 4.2 活物質の結着状態と電気伝導性
  • 4.3 バインダーポリマー
  • (1) 種類、原形とスラリー
  • (2) 結着と接着
  • (3) 助剤類と不純物
  • (4) 樹脂濃度と粘度
  • (5) バインダー量と活物質量のバランス
  • (6) 物理・化学的作用
  • 4.4 実用セルのバインダー
  • (1) バインダーと製造メーカー
  • (2) 複合系バイダー
  • 4.5 負極材の構成と電極バインダー
  • 4.6 正負極の材料プロセスとバインダー
  • (1) 粉体加工とスラリー化のパターン
  • (2) 製造パターンと安定化
  • 4.7 ポリフッ化ビニリデン(PVDF)バインダー
  • (1) ポリマー構造とHFの発生
  • (2) PVDF溶液の着色とゲル化
  • (3) PVDFの耐熱性
  • (4) PVDFの溶解と膨潤
  • (5) PVDFとSBRの溶融温度
  • (6) 溶液粘度と温度
  • (7) 溶液中のPVDFの結晶化
  • (8) 異常ゲル化の問題
  • (9) 高分子量PVDFバインダー
  • 4.8 水系バインダーの選択と塗工媒体
  • (1) バインダーと媒体の組合せ
  • (2) 媒体の選択
  • (3) 製造コスト
  • (4) 生産現場
  • 4.9 正極・負極材への水系バインダーの適用
  • (1) 正極材と水系処理
  • (2) 鉄リン酸リチウム正極
  • (3) 水系塗工スラリーのpH
  • (4) SBR共重合ポリマーの構造と変化
  • (5) 水系バインダーの粘度
  • (6) 水系塗工のスラリー調整
  • (7) 増粘剤CMCの選択
  • (8) 濡れ性と流動性
  • 4.10 中大型リチウムイオン電池のバインダー
  • 4.11 新たなニーズとバインダシステムの対応
  • 5 セパレータ
  • 5.1 セパレータとセル製造
  • (1) セパレータの諸要素
  • (2) セパレータの面積と容量
  • (3) セパレータの機能と安全性
  • (4) 大型リチウムイオン電池(セル)
  • (5) セパレータの製造方式
  • (6) 微多孔膜
  • 5.2 セパレータの選定
  • (1) セパレータの特徴
  • (2) 電解液との濡れ性と浸透性
  • (3) セルの劣化とセパレータ
  • (4) セパレータの選定
  • (5) 安全性試験のクリア
  • (6) 電解液の入れ方
  • 5.3 新しい機能性セパレータ
  • 6 電解液
  • 6.1 電解液
  • (1) 電解液の種類と分子構造
  • (2) セルの電解液量
  • (3) 電解液組成の選定
  • (4) 電解液の電気分解
  • (5) サイクル特性と安全性試験
  • (6) 電解質中の電位分布
  • (7) 電解質と電解液の基礎
  • (8) ECベース電解液
  • 6.2 電解液・質の選定ステップ
  • (1) 開発設計
  • (2) 製造工程
  • 6.3 電解液と安全性
  • (1) 沸点と引火点
  • (2) 電解液と分解ガス
  • (3) 分解ガスの分析事例
  • (4) 正負極と電解液との反応抑制
  • (5) 分解ガスの経時的な蓄積の可能性
  • 6.4 電解液と表面保護層(SEI)
  • (1) SEIの形成と効果
  • (2) SEI形成化合物のタイプ
  • (3) SEI形成
  • 6.5 電解液、電解質と添加剤
  • (1) 作用部位と添加剤の効果
  • (2) 添加剤や助剤の使用目的
  • 6.6 実用電解液系と添加剤・助剤
  • (1) 材料別難燃化剤の利用と開発
  • (2) 材料シーズ別の開発
  • (3) 正極・負極表面との相互作用
  • (4) 実用セルの電解液系への添加剤
  • 6.7 電解液の過充電、過放電
  • (1) セルの正常動作と過充電・過放電
  • (2) セルの定格(設計・製造基準)
  • (3) レドックスシャトルなど過充電防止剤
  • 6.8 電解液とフッ素化合物
  • 7 電解質とイオン性液体
  • 7.1 電解質の特性と選択
  • 7.2 コスト問題
  • 7.3 毒性の問題
  • 7.4 イオン性液体とLiの組合せ
  • 8 難燃剤とゲル化剤
  • 8.1 安全性向上の具体策
  • (1) 難燃剤の添加と効果
  • (2) イオン性液体とフッ素系電解液
  • (3) 漏液防止とゲル化
  • (4) 安全性とセルの耐久性
  • (5) フォスファゼン系難燃剤
  • (6) その他の難燃剤
  • 8.2 ゲル化とハイブリッド電解液
  • (1) ポリマーリチウムイオン電池
  • (2) 電解質とセパレータなどのハイブリッド化
  • (3) バインダーと電解液・質
  • (4) 全固体リチウムイオン電池

第4章 周辺部材(集電箔とラミネート外装材)菅原秀一

  • 1 集電箔
  • 1.1 集電箔と電気化学特性
  • (1) セルと集電箔   
  • (2) 製品セルにおける集電箔の厚みと目付量
  • (3) 小型セルの集電箔の実際
  • (4) 正負極の集電箔の機能
  • (5) 負極-銅集電箔の機能
  • 1.2 集電箔に求められる特性
  • (1) 集電銅箔の種類と特性
  • (2) アルミ箔(正極)の電気化学的特性
  • (3) 銅箔(負極)の電気化学的特性
  • 1.3 集電箔の性能向上
  • (1) 集電箔の導電特性改良へのニーズ
  • (2) 塗工前の箔表面
  • (3) メッシュの効果
  • (4) リチウムイオンキャパシタ(LIC)用箔
  • (5) 表面処理と高機能アルミ箔
  • (6) アルミ箔へのカーボンコーティング
  • 2 ラミネート外装材
  • 2.1 中・大型リチウムイオン電池の外装材の機能
  • 2.2 セルの外装材と電極構造
  • 2.3 ラミネート用外装材の構成と融着
  • 2.4 ラミネートセル用アルミ芯包材の用途と厚さ
  • 2.5 構成層の機能と材料
  • (1) 機能と材料
  • (2) 成型加工
  • 2.6 セルの大型化とラミネート包材
  • 2.7 アルミ包装材以外の材料
  • 2.8 シーラント材によるタブの封止

第5章 大容量Liイオン二次電池と材料の市場展望

  • 1 xEV(電動自動車)用Liイオン二次電池の市場展望風間智英
  • 1.1 xEV市場展望の前提条件
  • (1) 乗用車市場の拡大
  • (2) 石油価格の上昇
  • 1.2 自動車市場の変化
  • (1) 低燃費車ニーズの拡大
  • (2) カーメーカの対応
  • 1.3 xEV市場の動向
  • (1) HEV市場の動向
  • (2) EV市場の動向
  • (3) PHEV市場の今後
  • 1.4 xEV市場及びxEV用電池市場の展望
  • 2 電動二輪車用Liイオン二次電池の市場展望坂本遼平
  • 2.1 電動2輪市場の将来予測
  • (1) 過去の市場形成
  • (2) 将来の市場見通し
  • (3) 注視すべき動向
  • 2.2 電動2輪向けのLIB市場の将来予測
  • (1) LIB搭載容量
  • (2) LIB化率の見通し
  • (3) LIB市場(容量ベース)
  • 3 定置用Liイオン二次電池の市場展望藤田誠人
  • 3.1 定置用LIB市場の種類と特徴
  • (1) 既存市場
  • (2) 新規市場
  • 3.2 定置用市場の変化
  • (1) B-1:系統安定化のため発電所/送電網へ設置
  • (2) B-2:送電網への投資延期を目的として配電所へ設置
  • (3) B-3:非常時バックアップや電気代削減のための住宅・建物など電力需要家へ設置
  • 3.3 定置用LIB市場の動向と予測
  • 4 Liイオン二次電池の材料市場展望合田索人、坂本遼平
  • 4.1 材料市場の現状
  • 4.2 正極活物質
  • (1) 現状・分類
  • (2) 使用量の見通し
  • (3) 需要推計
  • (4) 今後の競争環境
  • 4.3 負極活物質
  • (1) 今後の展望
  • (2) 使用量の見通し
  • (3) 需要推計
  • (4) 今後の競争環境
  • 4.4 電解液・電解質
  • (1) 今後の展望
  • (2) 使用量の見通し
  • (3) 需要推計
  • 4.5 セパレータ
  • (1) 今後の展望
  • (2) 使用量の見通し
  • (3) 需要推計
  • (4) 今後の競争環境