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リチウムイオン電池技術    
-材料・製造技術と安全性評価-
[コードNo.10STA059]

■体裁/ B5判上製本 437ページ
■発行/ 2010年 6月 24日 S&T出版(株)
■定価/ 75,600円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-903413-93-8
 
★リチウムイオン電池の改良、革新、高度化にむけた1冊
★正極材料、負極材料、微粒子・スラリー調製、バインダー、塗工技術、電解液、セパレータ、安全化・対策、測定技術

書籍趣旨

 リチウムイオン電池は高電圧、軽量、高エネルギー密度という優れた特徴から、携帯電話、ノートパソコンなど種々のモバイル機器用電源として多用されてます。また、近年は電動工具や電動アシスト自転車等の高出力用途への応用が始まり、将来はHEV、P-HEV、EVをはじめとする自動車用途や産業用用途への大きな展開が期待されています。リチウムイオン電池の需要拡大に伴い、電池ユーザからは高エネルギー化、高性能化、安全性などますます強く要求されています。
 本書は「展望、市場動向」にはじまり「各種材料の開発」「微粒子、スラリーの調製・塗工技術」「安全化技術」「各種測定・評価」とまとめており、実際にリチウムイオン電池を研究開発されている方、材料メーカー他、技術動向調査にもお役立ていただける1冊です。

著者

小池哲夫電動車両技術開発(株) 兼 エナックス(株)
宮田秀明東京大学
清水健一(独)産業技術総合研究所
菅原秀一泉化研(株)
小林直哉(株)サムスン横浜研究所
堺英樹東邦チタニウム(株)
芳尾眞幸佐賀大学名誉教授
福田憲二宇部興産(株)
武内正隆昭和電工(株)
荻須謙二戸田工業(株)
斉藤光正住友大阪セメント(株)
田渕光春(独)産業技術総合研究所
竹内友成(独)産業技術総合研究所
辰巳国昭(独)産業技術総合研究所
秋本順二(独)産業技術総合研究所
今泉純一(株)田中化学研究所
和田徹也電気化学工業(株)
脇坂康尋日本ゼオン(株)
薮内庸介日本ゼオン(株)
秋山聡日清エンジニアリング(株)
篠原邦夫微粒子化学工学研究所、北海道大学名誉教授
大畠積プライミクス(株)
竹原秀麿児玉化学工業(株)
西村浩一高砂熱学工業(株)
小平宗男日立電線(株)
吉武秀哉宇部興産(株)
小玉春日本化学工業(株)
米川文広日本化学工業(株)
杉矢正日本化学工業(株)
高明天ダイキン工業(株)
河野通之エレクセル(株)
印田靖(株)オハラ
中島孝之三菱化学(株)
成瀬新二デュポン帝人アドバンスドペーパー(株)
大崎隆久(株)東芝
小山昇東京農工大学
林栄治(株)東レリサーチセンター
恩田和夫豊橋技術科学大学名誉教授
鳶島真一群馬大学
馬場彰太エナックス(株)
深沢保(株)ヒューズ

目次

第1章 リチウムイオンバッテリの現状・開発動向、課題と今後の展望

1電気自動車の現状
2電気自動車用リチウムイオンバッテリに要求される事項
3リチウムイオンバッテリの開発
3.1高エネルギ密度及び高入出力密度の両立
3.2長寿命化
3.3安全性
3.4バッテリマネージメント
3.4.1セル容量バランサ機能
3.4.2過充放電保護機能
3.4.3通信機能
4リチウムイオンバッテリの開発状況
4.1入出力密度とエネルギ密度の現状
4.2長寿命化の現状
4.3セル容量バランサ機能の現状
4.4安全性の現状
5リチウムイオンバッテリ材料の開発状況
5.1リチウムイオンバッテリ用正極電極材料
5.2リチウムイオンバッテリ用負極電極材料
5.3リチウムイオンバッテリ用電解質材料
6リチウムイオンバッテリのコスト動向
7今後の展望

第2章 リチウムイオン二次電池の市場・ビジネスチャンス

第1節二次電池による社会システム・イノベーション
第2節EV・HEV・PHEVの市場動向
1自動車を取り巻く環境
2電動車両の開発の歴史
3電動車両の形態
3.1EVの優位性
3.2HEVの目指すもの
3.3PHEVの目指すもの
4EV・PHEVをとりまく動き
5電池のネックを補う取り組み
6電動車両の将来
第3節リチウムイオン二次電池構成材料の市場と規制・安全性規格
1構成材料の試算と前提条件
2中・小型Li-ionの材料市場(正極負極)
3自動車用Li-ionの材料市場
4Li-ion材料に関する規制
5安全性に関する規格と試験方法(概論)

第3章 リチウムイオン二次電池用負極材料

第1節リチウムイオン二次電池用の次世代高容量負極材料の概況
1炭素材料(黒鉛)に代わる次世代高容量負極材料
1.1Liと金属間化合物を形成する負極材
1.2Liをインターカーレーションする負極材
2Li1.1V0.9O2負極材
第2節リチウムイオン二次電池負極材料用チタン酸リチウム
1チタン酸リチウムの結晶化学と電気伝導性
2チタン酸リチウムの特徴
3チタン酸リチウムの合成方法
4チタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池の実用化
第3節リチウムイオン二次電池用黒鉛負極材料/シリコン負極材料
1リチウムイオン電池用黒鉛負極材料の合成法
1.1MCMBの製法
1.2MCFの製法
1.3天然黒鉛と球状天然黒鉛の製法
1.4人造黒鉛の製法
2リチウムイオン電池用黒鉛の特性
3リチウムイオン電池用黒鉛への金属リチウムの析出
3.1低温における黒鉛負極への充放電曲線
4シリコン系負極材料
第4節カーボンナノファイバーのリチオウムイオン二次電池電極への応用
1VGCF(R)の製造方法と特徴
2各種VGCF(R)の物性
3VGCF(R)のLIB電極用導電助剤としての添加効果
3.1サイクル寿命の改善
3.2高電極密度での電解液浸透性改善
3.3低繊維径/高アスペクト比VGCF(R)−Sの効果
4VGCF(R)のLIB電極用導電助剤としての今後の展開

第4章 リチウムイオン二次電池用正極活物質材料

第1節リチウムイオン二次電池用正極活物質材料の開発動向及びニッケル系・三元系について
1Ni系の材料動向
1.1結晶構造
1.2製造方法
1.3安全性
2三元系の材料動向について
2.1構造・組成
3製造方法
4特性
5安全性
第2節リン酸鉄系正極材料
1LiFePO4の製造方法
1.1製造方法の概略
1.2製造方法の比較
2高容量化に向けた材料・電極設計
2.1小粒径化
2.2電気伝導性の向上
2.3電極の高密度化・厚膜化
2.4充放電特性
2.5サイクル特性
3リン酸鉄系正極材料の安定性・安全性
3.1熱的安定性
3.2電池の安全性
3.3電解液中への溶出
第3節コバルトフリー正極活物質
1Li2MnO3系正極の魅力と高容量発現機構
2鉄置換Li2MnO3正極の充放電特性に及ぼすFeイオンの役割と素材物性との関連
3鉄およびニッケル置換Li2MnO3正極への展開
第4節アセチレンブラック等導電助材の応用と電極の特性向上
1アセチレンブラックとは
1.1カーボンブラックのなかでのアセチレンブラックの位置付け
1.2アセチレンブラックの特徴
1.3アセチレンブラックの粉体特性
1.3.1嵩比重
1.3.2灰分
1.3.3水分、表面官能基
1.3.4金属不純物
2高導電化への試み
3導電助材としての適用(正極)
3.1導電助材の働き
3.2電池性能
4導電助材としての適用(負極)
5その他の炭素材料

第5章 リチウムイオン二次電池用微粒子、スラリーの調製と塗工技術

第1節リチウムイオン二次電池用バインダーの特性と結着技術
1セルの設計とバインダー
2セル内部の物理化学的な環境
3実用セルのバインダー
3.1品種とメーカー
3.2PVDF/NMP 溶剤系
3.3SBR水分散系
3.4接着性と結着性の評価
4セル特性との関係
5塗工スラリーの調製と工程
6新規な活物質への対応
第2節リチウムイオン二次電池用バインダーの高性能化とスラリー作製と乾燥技術
1負極用バインダー
1.1負極用バインダーの変遷
1.2負極用バインダーの要求特性
1.3スラリー作製上の留意点
1.4乾燥工程上の留意点
1.5負極用バインダーの特徴
2正極用バインダー
2.1新規正極活物質への対応
2.2水系バインダーの分散性
2.3正極バインダーの電気化学安定性
2.4水系正極バインダーを用いた電池の性能
第3節リチウムイオン二次電池電極用微粒子の製造・調整技術
1電池材料の粉砕技術
1.1粒子径分布に対する粉砕機種の影響
1.2焼成時間に対する粒子径の影響
2電池材料の分級技術
2.1分級機による粒子径調整
2.2粗粉分級
2.3微粉分級
3ナノ粒子の生成と複合化
3.1熱プラズマプロセス
3.2ナノ粒子の製造例
3.3金属ナノ粒子の表面被覆
3.4複合ナノ粒子
第4節リチウムイオン二次電池負極用微粒子塗膜の高性能化に向けた微粒子の調整
1関連粒子物性
1.1粒子径
1.2粒子形状
1.2.1フーリエ形状指数の定義
1.2.2粒子形状調整
2塗膜充填構造
2.1空孔径分布
3透過特性
3.1透過圧力式
3.2圧力損失測定
4充放電特性と塗膜・透過特性の関係
4.1高容量化に向けて
4.2黒鉛粒子による塗膜特性評価
4.2.1粒子物性と粉体特性
4.2.2塗膜特性
4.3充放電特性
4.3.1不可逆容量
4.3.2高速放電特性
4.2.3サイクル特性
第5節リチウムイオン電池電極材スラリーの分散と連続生産技術
1CDMプロセス
2電池電極材スラリーの分散効果
2.1微粒子材料の分散効果
2.2分散スラリー粘度の再現性
3フィルミックス分散効果の基礎検討結果と電池性能改善への期待
4CDMプロセスとスラリー製造コスト
5CDMプロセスラインナップと生産システム
6実績と今後の展開
第6節リチウムイオン電池用電極塗工技術
1電極塗工での変動要素とその最適化
1.1塗工基材・塗工液
1.2塗工プロセス中の粘度変化
1.3その他の条件
2精密塗工に必要なコーティングユニット
2.1定量ポンプ
2.2ダイ位置調整機構(ダイサポート)
2.3バックアップロール
2.4バキュームボックス
3効率改善と精度向上
3.1両面同時塗工
3.2多層同時塗工
3.3塗工分布検査と連続調整
4薄膜・低粘度塗工
第7節リチウムイオン二次電池製造におけるドライルーム設備
1リチウムイオン二次電池製造とドライルーム
2ドライルームの概要と構成機器
3ドライルームで使用する除湿機
4ドライルーム設計上の留意点
5省エネルギー要求への対応

第6章 リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔

1負極集電体に求められる特性
1.1製造工程のハンドリング
1.2活物質層との密着性
1.3高導電性
1.4電気化学的な安定性
1.5コスト
2銅箔の製造方法と特徴
2.1圧延銅箔
2.2圧延銅箔の種類
2.3電解銅箔
3次世代合金系負極に適した集電銅箔
3.1銅箔の機械的特性と充放電時の変形挙動
3.2実電池における電極変形挙動

第7章 リチウムイオン二次電池用電解液、電解質

第1節リチウムイオン電池用 機能性電解液の最新開発動向と今後の展望
1機能性電解液:初期型機能性電解液
2機能性電解液:第二世代機能性電解液(ナノコントロール)
3機能性電解液:第三世代機能性電解液(ECM型被膜形成)
4機能性電解液:信頼性向上電解液(アルミニウム集電体腐食抑制機能性電解液)
5機能性電解液:ドラッグデリバリーアタック機能附加(微小内部短絡防止技術)
第2節リチウムイオン二次電池用電解質:イオン液体の合成と物性評価
1四級ホスホニウム型イオン液体の製法と特性
1.1合成方法
1.2物理化学特性
1.3四級アンモニウム型イオン液体との比較
1.4電気化学的安定性
1.5熱安定性
2リチウム二次電池電解質としての四級ホスホニウム型イオン液体
2.1四級ホスホニウム型イオン液体中でのリチウムの電気化学的挙動
2.2四級ホスホニウム型イオン液体を電解質とするリチウム二次電池の充放電特性
第3節フッ素系溶媒を用いた電解液の特性とリチウムイオン二次電池への応用
1フッ素系化合物の一般的特徴
2フッ素系添加剤/溶媒の研究例
3フルオロエチレンカーボネート
4フルオロエーテル
第4節リチウム二次電池用ポリマー電解質材料の開発
1ドライポリマー電解質
2ポリマーゲル電解質
3熱架橋ポリマーゲル電解質とそれを用いた電池の例
4リチウムポリマー電池の将来
第5節無機固体電解質のリチウムイオン二次電池への応用
1無機固体電解質
2硫化物系固体電解質
3酸化物系固体電解質
3.1酸化物系薄膜固体電解質(LIPON)
3.2酸化物系セラミックス固体電解質
3.3酸化物系ガラスセラミックス電解質
3.4固体電解質の新しい応用

第8章 セパレータ

第1節リチウムイオン二次電池用セパレータの特性と開発動向
1リチウムイオン二次電池用セパレータの機能
2セパレータの微細孔構造による電池特性への影響
3次世代リチウムイオン二次電池の高機能化とセパレータ
第2節アラミドセパレータを使用したリチウムイオン電池の電気特性と安全性
1アラミドセパレータの特徴
1.1アラミド
1.2アラミドセパレータ
2リチウムイオン電池
2.1リチウムイオン電池
2.2リチウムイオン電池の構造
2.3リチウムイオン電池の特徴
3アラミドセパレータを使用したリチウムイオン電池
3.1単層ラミネートセル
3.2初期特性
3.2.1充放電特性
3.2.2レート特性
3.2.3インピーダンス特性
3.3耐久性
3.3.1サイクル特性
3.3.2保存特性
3.4安全性
3.4.1過充電試験
3.4.2加熱試験
3.4.3強制内部短絡試験

第9章 リチウムイオン電池の安全化技術

1リチウムイオン電池の発熱要因と安全機構
1.1電池内部の発熱
1.2リチウムイオン電池の材料と主な安全機構
1.2.1電池材料
1.2.2電池構成部品
2リチウムイオン電池の発熱反応解析
2.1電池材料の発熱反応
2.1.1負極/電解液間の反応
2.1.2正極/電解液間の反応
2.2過充電反応 −発熱反応解析と対策−
2.2.1過充電時の電圧、温度変化
2.2.2過充電時のガス発生反応
2.2.3過充電正極の構造変化
2.2.4種々の温度に保持した恒温槽中での過充電
2.2.5過充電状態の負極の熱挙動
2.2.6過充電反応のメカニズム
2.2.7過充電耐性の向上
3リチウムイオン電池の安全性試験

第10章 リチウムイオン二次電池の測定・分析、安全性・信頼性評価

第1節リチウムイオン二次電池のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定および交流インピーダンス(ACI)測定による特性評価
1電極のCV応答から得られる情報
2CV応答の留意点
3交流インピーダンススペクトル(ACIS)とは
4いくつかのACIS測定例
第2節リチウムイオン二次電池の正極・負極の劣化評価
1負極SEI膜の化学分析
2負極表面析出物の分析
3正極の最表面の分析
第3節リチウムイオン二次電池の発熱挙動の測定・解析
1記号
2熱挙動解析モデル
2.1充放電反応と発熱因子
2.2代表電池温度モデル
2.3電池温度分布の一次元解析
3発熱因子の測定
3.1過電圧抵抗
3.1.1V-I特性による抵抗
3.1.2開回路電圧とセル電圧の差による抵抗
3.1.3間欠充放電による抵抗
3.1.4交流インピーダンス計による抵抗
3.2エントロピー変化の測定
4電池の熱容量と熱伝達率の測定
4.1電池の熱容量の測定
4.2電池から外気への熱伝達率の測定
5電池温度上昇の解析と実測結果との比較
5.1測定した発熱因子の解析への取込み
5.2電池温度分布の一次元解析結果
5.3急送充放電時の解析と実測電池温度との比較
5.4充放電効率
第4節リチウムイオン二次電池の安全性・信頼性評価
1リチウムイオン電池の適用分野
1.1電気自動車用電源
1.2モバイル機器用電源
1.3定置型電池
1.4リチウム資源
2リチウムイオン電池の安全性の現状
3リチウムイオン電池の安全性確保策
4リチウムイオン電池の法的規制
5リチウムイオン電池の安全性ガイドライン
5.1モバイル用小型電池の安全性ガイドライン
5.2電気自動車用蓄電池の標準化、規制等
5.3電力貯蔵用蓄電池の標準化、規制等
6リチウムイオン電池の非安全時の電池の挙動
7リチウムイオン電池の安全性劣化要因
8リチウムイオン電池の安全性評価の基本的考え方
9電池の安全性試験項目例
第5節開発・製品化におけるリチウムイオン二次電池の安全評価
1リチウムイオン二次電池の構造と安全性の関係
2リチウムイオン二次電池の規格と安全性試験項目
2.1安全性規格と試験内容
2.2安全性試験の目的
3リチウムイオン二次電池の安全性評価試験
3.1過充電試験
3.2外部短絡試験
3.3釘刺し試験
4リチウムイオン二次電池の実走行テスト
4.1実走行テスト内容
4.2実走行結果

第11章 組電池・電池マネジメント技術

1目的
2組電池設計
2.1基本
2.1.1電圧
2.1.2エネルギー量
2.1.3出力特性
2.1.4温度
2.2電池の選定
2.2.1安全性と品質
2.2.2電池特性
2.3接続構成
2.4モジュール化
2.4.1最大直列数
2.4.2単電池の配列
2.4.3単電池の支持
2.4.4単電池のリード端子の接続
2.4.5構造部材
2.4.6その他
2.5組電池システム構成
2.6電圧及び温度検出
3電池マネジメント設計
3.1基本
3.2制御パラメータ
3.3電圧均等化
3.4保護回路
3.5寿命



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