リチウムイオン二次電池の低温環境下における可逆/不可逆性能低下のメカニズム解析

Research Project

Project/Area Number	24K23014
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
Research Institution	Nagaoka University of Technology
Principal Investigator	白仁田沙代子長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (90580994)
Project Period (FY)	2024-07-31 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	低温充放電サイクル / リチウムイオン二次電池 / 熱安定性 / 低温環境下 / 可逆/不可逆性能低下
Outline of Research at the Start	リチウムイオン二次電池の性能低下は、リチウムイオン二次電池の使用環境温度が影響し、中でも低温環境下において顕著にみられることが報告されている。しかしながら、この性能低下の詳細なメカニズムは解明されていない。そこで本研究課題では、電池容量と熱安定性の二つの性能に絞り、可逆/不可逆的に電池容量が低下したリチウムイオン二次電池をそれぞれ準備し、充放電曲線、充放電容量、微分容量の解析と、安全性低下の鍵となる熱安定性を評価し、低温環境下における可逆/不可逆性能低下メカニズムを解明する。
Outline of Annual Research Achievements	すでに実用化されているリチウムイオン二次電池内の電気化学反応には副反応が存在し、それにより性能低下を引き起こしている。この性能低下はリチウムイオン二次電池の使用環境温度が影響し、中でも低温環境下において顕著にみられることが報告されている。しかしながら、この副反応のメカニズム解明には至っていないのが現状である。そこで本研究課題では、電池容量と熱安定性の二つの性能に絞り、可逆/不可逆的に電池容量が低下したリチウムイオン二次電池をそれぞれ準備し、充放電曲線、充放電容量、微分容量解析を解析するとともに、安全性低下の鍵となる熱安定性を走査型断熱式熱量計にて評価し、低温環境下における可逆/不可逆性能低下メカニズムを解明することを目的として研究を遂行している。令和6年度は、正極にNCA材料、負極にグラファイト材料を使用した18650型リチウムイオン二次電池を使用した。まず、容量低下が可逆的な電池と不可逆的な電池を準備し、それらの熱安定性を走査型断熱式熱量計にて評価した。その結果、可逆的な容量低下の電池であっても、5℃の低温環境下で充放電を行った履歴がある電池は新品電池と比較すると電池の自己発熱開始温度が低下した。この結果から、容量低下が可逆的であっても熱安定性が低下することが見出された。今後は容量低下させる充放電サイクル条件のパラメータに使用するSOC(充電状態)範囲、Cレート、充放電温度を用いて実験を進める予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究目的達成の前提となる低温にて可逆的に容量低下したリチウムイオン二次電池の熱安定性を評価したところ、5℃で充放電サイクルを実施した電池において熱安定性が低下することが確認された。今後は容量低下させる充放電サイクル条件に使用するSOC範囲、Cレート、充放電温度をパラメータとして実験を進めており、研究実施計画に従っておおむね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	令和7年度は研究実施計画に沿い、劣化させる充放電サイクル条件の使用するSOC範囲、Cレート、充放電温度をパラメータとして、可逆容量低下電池と不可逆容量低下電池を準備して、それらの熱安定性を評価するとともに、副反応と熱安定性の相関からメカニズム解析を進める予定である。