2015 Fiscal Year Annual Research Report
リチウムイオン電池の過渡応答解析の研究；高周波ノイズの安全性への影響を解明
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26289080
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
漆畑 広明 金沢工業大学, 工学部, 教授 (40723367)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 昭彦 金沢工業大学, 工学部, 講師 (40597689)
藤田 洋司 金沢工業大学, 工学部, 教授 (40720222)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | リチウムイオン電池 / 過渡応答 / 細孔構造 / 電流分布 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
成27年度は当初計画の項目【1】－(b)の単純ｽﾃｯﾌﾟ波入力時のﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池電極の過渡応答測定と理論解析を重点に研究に進めた。項目【2】の「ﾓﾃﾞﾙ電池によるﾊﾟﾙｽ応答解析」の予備検討は研究項【1】－ｂを進める過程でﾊﾟﾙｽ波も考慮しｽﾃｯﾌﾟ波形状を検討。27年度はｽﾃｯﾌﾟ波形のみで検討し、28年度に詳細を検討する事とした。
【等価回路ﾓﾃﾞﾙ】解析の高度化（再現性含む）のためｾﾙ構成、測定条件の確立を目指した。正極のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽは再現性あるﾃﾞｰﾀ取得のﾉｳﾊｳを修得、等価回路は電極細孔を円筒形状に仮定，ｲｵﾝ伝導抵抗，電荷移動抵抗，電気二重層容量で構成される。円筒空間の合成ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽはRC並列回路の漸化式で表した。合成ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽと実測ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽを比較し細孔内のイオン電導抵抗、電荷移動抵抗を決定した。
【過渡応答解析】等価回路ﾓﾃﾞﾙをﾍﾞｰｽに、回路ｼﾐｭﾚｰﾀによる過渡応答ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ回路と電池構造との対応を考案。構造的に等価回路の一方は集電体(金属)に接続、電解質ｾﾊﾟﾚｰﾀ側では溶液抵抗と接続している。RC回路が100個の等価回路ﾓﾃﾞﾙに1Vの定電圧ｽﾃｯﾌﾟを印加し、正極のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝを実施。電極のｾﾊﾟﾚｰﾀ側に電流集中し、徐々に細孔内部が反応していく様子を観察、ｽﾃｯﾌﾟ電圧入力時、ｾﾊﾟﾚｰﾀ側の活物質に負担が掛かることが示唆された。この最も重要な過渡応答解析を強化するため当初計画のﾊﾞｰｽﾄ試験器に替えﾎﾟﾃﾝｼｵｽﾀｯﾄを増強した。また、回路ｼﾐｭﾚｰﾀ上で動作するﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池物理モデルを開発、ｼｽﾃﾑ中でのﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池の動作解析を行た。ﾓｰﾀ加減速が発生する環境下では、電極表面近傍のみが入力に対して応答し得ることを、電池内のLi応答解析から明らかにした。また、これらのｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ解析、過渡応答解析、電池物理ﾓﾃﾞﾙにつて学会発表を行った。
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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
①27年度の目標は、実験系を構築しﾓﾃﾞﾙ電池のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ解析、過渡応答解析技術の基本を構築し、再現性あるﾃﾞｰﾀの取得が最重要課題であった。これに対し多孔質電極の細孔等価回路モデルを構築し、ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ技術のﾍﾞｰｽと作った。②その結果、このｼﾐｭﾚｰｼｮﾝﾓﾃﾞﾙによれば電気二重層の充電電流と反応電流を分離して解析することができる。③この結果を基に、今後電極の如何なる部位に電流が集中する可能性があるのかを推定する道が開けた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は前年度まで進めてきた研究項目【1】を継続して最も注力する。また実際のﾉｲｽﾞを考慮した波形をﾓﾃﾞﾙ電池に入力し下記研究項目【2】のﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池の電極過渡応答測定にも着手する。この結果は研究項目【1】にﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸしﾓﾃﾞﾙ電池構造、測定手法の高度化へも繋げる。
研究項目【2】は項目【1】「実験系の構築」をﾍﾞｰｽに進めるので【1】でﾓﾃﾞﾙ電池、測定・解析技術を高度化することに継続的に注力、【2】ではこれを適用発展させパルス入力により電極が危険な過充電状態に至る可能性を理論的に解析する。
ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ電池の電極は多孔質構造を有し、ﾊﾟﾙｽ電圧印加時、電極細孔内に電圧分布が発生し反応抵抗が細孔内の位置により異なる。そこで電極の細孔構造を考慮し電荷移動抵抗を可変抵抗で表し等価回路ﾓﾃﾞﾙに取り入れる。このﾓﾃﾞﾙにより電極の細孔内での電流分布を高精度で解析する技術を開発する。モデル電池を用いた過渡応答実験を単純なｽﾃｯﾌﾟ波形から実際に想定されるﾉｲｽﾞを模擬したﾊﾟﾙｽ信号に拡張する。ﾊﾟﾙｽ電圧を電極に印加した場合、過渡応答電流は、電気二重層を充電する電流と電極反応の電流の和と考えられる。このため模擬ﾊﾟﾙｽ波の形状として、電極反応電流の増大要因となるﾊﾟﾙｽ波のﾋﾟｰｸ電圧（Vp）、電気二重層容量の充電電流に影響する電圧の立上がり時間（ｄV/ｄｔ）等をﾊﾟﾗﾒｰﾀとしたﾊﾟﾙｽ波を用いる。ﾊﾟﾙｽ波形の違いによりどのように電極の細孔内で電流が分布するかを解析する。測定は等価回路ﾓﾃﾞﾙの検討が進んでいる正極を中心に行うが、負極についても負極特有の多孔質電極構造を考慮した等価回路ﾓﾃﾞﾙの検討を行い周波数応答、過渡応答の解析を開始する。試験電池の電極性能の劣化状態を評価する手法を検討し、性能との対応を検証する。また成果の一部をまとめて学会等の場で発表する。研究分担者は電池のﾓﾃﾞﾙ化等の検討を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が理由は消耗品の購入の一部を次年度に繰り越したためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
電池材料、実験器具等の実験に必要な材料、器具の購入に充てる。
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