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企業情報研究開発

難揮発性と化学耐久性を両立する新規の有機固体電解質を用いた長寿命リチウムイオン二次電池の試作に成功

充放電回数を最大60%増加、蓄電システムのライフサイクルコストの削減めざす

2021年3月23日
株式会社日立製作所

日立は、脱炭素社会のキーコンポーネントとなるリチウムイオン二次電池(以下、LIB)のライフサイクルコスト削減に向け、マテリアルズインフォマティクス*1(以下、MI)技術を活用して、難揮発性と化学耐久性を両立する有機固体電解質(図1)を開発し、長寿命なLIBの試作に成功しました。充放電サイクル試験*2を行ったところ、従来の有機電解液を用いたLIBに比べて、充放電の回数を最大で60%増加(寿命は約1.6倍に延伸)できる見通しを得ました。今後、日立は、パートナーとともに本電解質を用いたLIBの実用化や蓄電システムへの適用、普及をめざすとともに、自動車、鉄道などのあらゆるモビリティの電化、再生エネルギー連携グリッドの系統安定化を推進し、脱炭素社会の実現に貢献していきます。なお、本成果の一部は「リチウムイオン電池向け高耐熱電解質の開発」として、社団法人電気化学会 技術賞(棚橋賞)を受賞しました。

図1 長寿命有機固体電池概要
図1:長寿命有機固体電池概要

背景および取り組んだ課題

  • 電気自動車や家庭用蓄電池など、私たちの身の回りの生活を支えている蓄電システム向けに、安全かつコンパクトで長寿命なLIBが求められている
  • 現行のLIBは、揮発温度*3や引火点の低い有機電解液を用いているため、蓄電システム内に補強材や冷却機構を施し安全性を担保している
  • これまで日立では、補強材や冷却機構が不要な難揮発の有機固体電解質(図1(b))を開発し、大型LIBで安全性*4とコンパクト性(高エネルギー密度*5)を実証。しかしながら、電解質の耐久性が低く、充放電回数の増加に伴う電池容量の劣化が課題

開発した技術

  • 高度分析およびMI技術を活用した耐久性の高い難揮発性電解質の開発
  • 難揮発性電解質を用いた長寿命有機固体電池の開発

確認した効果

  • 開発した難揮発性電解質を用いて小型のLIBを作製し、従来の有機電解液を用いたLIBと比較したところ、充放電の回数を60%増加できることを確認

発表する論文、学会、イベントなど

  • 本成果の一部は、社団法人電気化学会 技術賞(棚橋賞)の受賞講演として、2021年3月23日にオンラインで開催の第88回大会にて発表

謝辞

  • 本研究の一部は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制度委託事業[JPJ004596] の一環として実施されたものです。

開発した技術の詳細

1. 電池劣化反応の高度分析およびMI技術を活用した耐久性の高い難揮発性電解質の開発

有機固体電解質に用いるリチウムイオン伝導性液体は、安全性を担保するための難揮発性溶媒と高濃度のリチウム塩からなる濃厚溶液、スムーズな充放電反応を進行させるための低粘度化溶媒から構成されます。既開発の従来有機固体電解質を用いたLIBに対し高度分析を実行することで、充放電サイクル時に難揮発溶媒(テトラグライム、図2(a))と低粘度化溶媒(炭酸プロピレン)が電極上で分解することで電池容量が低下することを明確化しました。
続いて、劣化要因である難揮発溶媒の高耐久化をめざし、MI技術を用いて候補材料を選定しました。揮発温度の高い溶媒群に対し、分子軌道計算を用いて化学安定性パラメータを算出し、既開発材に比べ高耐久が見込める電解質材料を抽出しました。

2. 難揮発性電解質を用いた長寿命有機固体電池の開発

1で抽出した電解質材料のひとつであるスルホラン(図2(b))を用いた有機固体電池を、横浜国立大らと共同で開発しました。横浜国立大が見出したスルホランに特有の分子間のLiイオンのホッピング伝導に着目し、これを有機固体電解質に適用したところ、選択的にLiイオンが伝導することを確認しました。その結果、Liイオンの高い伝導性を維持しつつ低粘度化溶媒を60%削減した有機固体電解質の設計・作製に成功しました。


図2 従来および新規電解質の模式図と特徴
図2:従来および新規電解質の模式図と特徴


以上にて開発した有機固体電解質を、リチウムイオン電池に適用したところ、充放電サイクル時の容量維持率を向上し、自社にて評価した有機電解液電池に比べてサイクル寿命が60%改善する見通しを得ました。さらに、その揮発温度が従来有機固体電解質(105℃)から140℃まで改善する*6ことから、LIBの耐熱性、安全性向上も期待されます。


*1
マテリアルズインフォマティクス: 計算科学を活用した材料開発スキーム
*2
リチウムイオン電池の充電-放電を交互に実施し、電池容量変化を評価する試験
*3
揮発温度: 熱重量示差熱分析(TG-DTA)にて液体成分の重量が2%減少する温度と定義
*4
2018年2月16日 ニュースリリース
燃えにくい新規電解質を用いた高安全なリチウムイオン二次電池の試作に成功
https://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2018/02/0216.html
*5
2019年11月12日 研究トピックス
コンパクトかつ大容量で、安全性の高いラミネート型リチウムイオン二次電池を開発
https://www.hitachi.co.jp/rd/news/topics/2019/1112.html
*6
従来有機固体電解質組成はテトラグライム-Li塩混合物(Li(G4)TFSA)と低粘度化溶媒を55:45の重量比で混合した電解質、新規電解質はスルホラン-Li塩混合物(Li(SL)3TFSA)と低粘度化溶媒を80:20で混合した電解質

照会先

株式会社日立製作所 研究開発グループ