Development of safe and high-performance secondary batteries based on nanotubes and assessment of their impacts on reduction of greenhouse gas emission
| Project/Area Number |
21H04633
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
野田 優 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50312997)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,690,000 (Direct Cost: ¥11,300,000、Indirect Cost: ¥3,390,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Fiscal Year 2021: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
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| Keywords | 二次電池 / ナノチューブ / 安全・高性能 / 低炭素化 / 技術評価 |
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| Outline of Research at the Start |
リチウムイオン電池等の二次電池は、低炭素社会の基幹技術の一つとして期待されている。エネルギー密度等の性能向上と同時に安全性の確保も一層重要である。本研究では柔軟で高耐熱な無機ナノチューブを用いて性能と安全性を両立する。カーボンナノチューブベースの柔軟電極に、窒化ホウ素ナノチューブセパレータを組み合わせ、高容量活物質の性能を引き出し補助材料を削減してエネルギー密度を向上、熱に耐え歪を吸収して安全性を確保する。低炭素化には充電電力に加えて電池の製造・廃棄の負荷低減も欠かせず、補助材料削減と簡易・高速製造で負荷を低減する。ライフサイクルアセスメント等で環境負荷を定量評価、社会に役立つ技術を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
項目1. 高エネルギー密度・高安全性二次電池の開発：SiO/C-CNT自立膜負極とNCM-CNT正極を組み合わせた全電池を開発した。SiOは初回のリチオ化時にLi4SiO4を、CNTは高い比表面積により固体電解質界面相(SEI)を不可逆的に形成して活性なLiを多く消費する。そこでSiO/C-CNT膜を電解液で濡らしLi箔と重ねることでプレリチオ化した。全電池ではLi+が移動する空きサイトも必要なため、SiO/C-CNT膜と完全にリチオ化したf-LixSiO/C-CNTを組み合わせる部分プレリチオ化を提案、p-LixSiO/C-CNT負極とNCM-CNT正極を組み合わせた全電池で、1, 300サイクルで正負極合計質量基準で542, 420 Wh/kgの高エネルギー密度を実現した。
項目3. 電池の製造・利用・廃棄のLCA：項目1で開発したCNTベースSiO||NCM全電池のLCAを実施した。米国アルゴンヌ国立研究所のBatPaCモデルを用い電池パック製造に必要な材料量を算出、SiO負極材について公開特許をもとに製造プロセスをデザインしGHG排出量を算出した。これらを元にLCAを実施、CNT集電体による金属箔レス構造でGHG排出が低減した一方、プレリチオ化による電解液消費量の増大とプロセス時間延長に伴うドライルーム消費電力増大によりGHG排出が増えることが分かり、電解液量の削減とプロセス時間の短縮を進めた。
項目4. 社会実装性に優れた電池の提案：使用済みリチウムイオン電池の材料リサイクルの検討を継続、黒鉛負極材、NCM正極材に加えNCA正極材、LFP正極材も検討した。LIBによる低環境負荷低減に向け、EVでの使用済みLIBを静置型蓄電所に用い再エネ電力を平準化してLIB工場を動かすシナリオを、九州と北海道に対して設定してLCAを実施した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(63 results)
