2019 Fiscal Year Research-status Report
リチウムイオン電池の低温低周波領域の交流インピーダンスに基づく動作特性モデル構築
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19K04333
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
乾 義尚 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (70168425)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 智士 滋賀県立大学, 工学部, 講師 (70759274)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電力工学 / 電力貯蔵 / 二次電池 / リチウムイオン電池 / 動作特性モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，リチウムイオン電池を対象として，その交流インピーダンス特性を低温低周波領域も含めた幅広い条件で測定し，それを用いてより汎用性の高い電池の動作特性モデルを構築することを目的としている．研究は2019年度から3年間の予定で，2019年度は「交流インピーダンス特性を低温低周波領域で測定する手法の確立」と「低温を含む条件で低周波領域までの交流インピーダンス特性の測定」，2020年度は「測定結果のフィッティングによる交流インピーダンス特性の成分分離」と「分離後の各成分の温度・充電状態・劣化状態依存性の法則性の定式化」，2021年度は「ある条件の交流インピーダンス特性から他条件の同特性の推定手法確立」と「確立した推定手法を組み込んだより汎用性の高い動作特性モデルの構築」を行うというのが当初計画である．
2019年度は，上記の研究計画を遂行するために，まず助成金により低温恒温槽を購入した．従来の研究では，電池の温度管理に恒温水槽を用いてきたために，水が凍結する氷点下での測定は不可能であったが，この装置の導入により，0℃から-20℃という氷点下の温度範囲でも電池の交流インピーダンス特性の測定が可能になった．一方，低周波領域の交流インピーダンス特性の測定に関しては，電流遮断後の電圧過渡応答を周期性を仮定してフーリエ解析する従来手法を改良することにより，タイムドメインフィッティング法を新たに提案・開発し，氷点下の低温を含む種々の条件で低周波領域の交流インピーダンス特性の測定を行った．本手法は，コンデンサと抵抗の並列回路を多数直列接続した等価回路を仮定し，その電圧過渡応答を実験で得られた測定値に直接フィッティングすることにより回路定数を同定し，交流インピーダンス特性を算出する手法で，周期性を仮定しないため，低周波領域の交流インピーダンス特性の算出精度が飛躍的に向上するという利点がある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2019年度が本助成研究の初年度であり，当初計画では，リチウムイオン電池を対象として，「交流インピーダンス特性を低温低周波領域で測定する手法の確立」と「低温を含む条件で低周波領域までの交流インピーダンス特性の測定」を行うこととされていた．それに対して，研究実績の概要欄でも説明したとおり，まず，助成金により低温恒温槽を購入することにより，氷点下の温度範囲でも電池の交流インピーダンスの特性の測定が可能になった．さらに，低周波領域の交流インピーダンスの測定に関しては，従来の電流遮断法を改良することにより，低周波領域の交流インピーダンス算出精度が飛躍的に向上した，タイムドメインフィッティング法を新たに提案・開発し，氷点下の低温を含む種々の条件で実際に低周波領域の交流インピーダンスの測定を行うことができた．
以上より，2019年度に関しては，当初計画の目標を全て達成できており，本助成研究はおおむね順調に進展しているものと判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は2021年度までの計画であり，今後も当初計画に従って研究を進めていく予定で，リチウムイオン電池を対象として，2020年度は「測定結果のフィッティングによる交流インピーダンス特性の成分分離」と「分離後の各成分の温度・充電状態・劣化状態依存性の法則性の定式化」，2021年度は「ある条件の交流インピーダンス特性から他条件の同特性の推定手法確立」と「確立した推定手法を組み込んだより汎用性の高い動作特性モデルの構築」を行う予定である．
交流インピーダンス特性の測定結果からの等価回路の導出にあたっては，本研究で初めて測定を行う低周波領域にある拡散インピーダンスのフィッティングが課題である．市販のソフトウェアを使用する予定であるが，うまくいかなければソフトウェアを自作して対応する予定である．正極および負極の電荷移動および拡散インピーダンスに分離後の各成分の温度と充電状態および劣化状態依存性については，まずはそれらの条件に依存しないパラメータを抽出する予定である．さらに，それらの条件に依存するパラメータについても，例えば温度依存性についてはアレニウスの式を仮定する等の工夫により，法則性の定式化を行っていく予定である．
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| Causes of Carryover |
2020年度以降の研究を進めて行くにあたり，実験用のリチウムイオン電池として既定の電極材料等で構成された電池が必要であるので，2019年度の予算でそのような電池を購入することにし，その作製を電池試作会社に発注した．しかし，試作電池の仕様の決定が当初予定よりも遅れたため，その納品が2020年4月となり，研究への差し支えはないが，2019年度末までには購入費用の支払いができなくなった．そこで，その購入のために確保していた予算を2020年度に繰り越すことにした．従って，約370千円が2020年度へ繰り越しとなったが，それは既に発注済の消耗品（実験用リチウムイオン電池）の支払いに充てられることが確定している．
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