交流インピーダンス法による使用履歴不明なLiイオン電池向け劣化診断技術の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14729
• Research Institution: Japan Automobile Research Institute
• Principal Investigator: 安藤 慧佑 一般財団法人日本自動車研究所, 電動モビリティ研究部, 研究員 (80866161)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 蓄電池 / インピーダンス測定 / 劣化診断

Outline of Annual Research Achievements

環境問題に対する意識の高まりから，リチウムイオン電池（LIB）を搭載した電気自動車（EV）の普及が進められているが，課題の一つとして車載LIBの劣化による航続距離の低下が挙げられる．車載用LIBはその使用環境・方法が様々であることから，中古車両の残存性能評価には，車載用LIBの性能低下（容量減少・出力低下）を個々に診断する必要がある．本研究では，LIBにおける高精度で実用的な劣化診断技術を開発するために，LIBの劣化による容量減少とインピーダンス変化の関係を解明することを目的とした．
本年度は，LIBの代表的な3種類の正極（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，LiMn2O4，LiFePO4）および2種類の負極（Li4Ti5O12，グラファイト）の未劣化品について，詳細なインピーダンス特性の取得に取り組んだ．具体的には，各電極を作用極に、Li金属を対極にしたハーフセルを作製し，SOC10%毎の交流インピーダンス測定および充放電しながら電圧振幅で測定するOperando交流インピーダンス測定を行った．各電極のインピーダンススペクトルにSOC依存性があり，その依存性は電極種ごとに異なることが確認された．充放電中にSEI生成等の副反応でLi+が失活化することで生じる正極と負極のSOCズレが容量減少の主要因であるLIBに対して，そのSOCズレをインピーダンス測定により評価できる可能性があることを確認した．現在，得られたインピーダンススペクトルは等価回路フィッティング解析による成分分離を進めており，それぞれの電極のSOC依存性を明確化していく．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

COVID-19による緊急事態宣言により，計画していた実験を十分に進めることができなかった．2021年度は2020年度の残課題と2021年度当初計画分を並行して取り組むことで，遅れの解消を目指す．

Strategy for Future Research Activity

未劣化の正極（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，LiMn2O4，LiFePO4）および負極（Li4Ti5O12，グラファイト）のハーフセルのインピーダンス解析を進めるとともに，サイクル劣化させた正極および負極のハーフセルのインピーダンス測定・解析を行うことで，電極容量減少とインピーダンス変化の関係を検証する．インピーダンススペクトルの等価回路フィッティング解析にあたっては，等価回路の設定・妥当性検証にあたり各電極の対称セルのインピーダンス測定を行うなど，より詳細な解析を行う．
またそれと並行して，未劣化の電極同士を組み合わせたフルセル（モデル未劣化電池）および，正極と負極の充電状態を故意に10%～50%ずらしたフルセル（モデル劣化電池）に対してインピーダンス測定・解析を行い，LIBの正極/負極SOCズレとインピーダンス変化の関係を評価することで，LIBの劣化による容量減少とインピーダンス変化の関係を解明する．
解明する関係性の妥当性検証のために，市販LIBを用いた寿命試験およびインピーダンス測定・解析を2022年度に計画しており，先行して市販LIBの入手および構成電極についての評価を行う予定である．

Causes of Carryover

COVID-19により学会などがWEB開催となり，計画してた旅費等の支出がなかったため残額が生じた．残額はコインセル分解機を購入するのに充て、対称セルによるインピーダンスの詳細解析に活用する．