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高安全性リチウム二次電池用セパレータ
首都大学東京 大学院都市環境科学研究科
分子応用化学域
教授 金村 聖志
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研究背景
• 既存エネルギーの有効利用– エネルギーを熱として捨てるのではなく、電気として可能な限り回収、無駄のないエネルギー利用
– 摩擦熱 放熱 その他
• 自然エネルギーの利用– 太陽光発電
– 風力発電
– 波力発電
– 地熱発電
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• 総電力の20 %程度は自然エネルギーを使用できるが、それ以上導入すると停電の可能性がある
• 日本の電力網に適合したスマートグリッドが必要である。
• 電気自動車で500 kmの走行距離を実現することが望まれる。
• いずれの場合にも、蓄電池が果たす役割は大きい。キーテクノロジーとなっている。
• 現在の電池の実力は？
– リチウムイオン電池が最も高い性能を有している。
– エネルギー密度と出力密度の特性が、他の電池よりもかなり有利である。
– それでも、150 ~ 200 W h kg-1で10 C程度の性能である。
スマートグリッド 電気自動車
4
どのような電池が必要か
• スマートグリッドの場合
– 高エネルギー密度の電池でコンパクトで家庭に1台備え付けることができる電池
– 家庭に備え付けても安全な電池
– 15年程度の寿命を有する電池
– 自然エネルギーをバックアップし、家庭での電力消費に耐える電池
– 低コストの電池
• 電気自動車の場合
– より一層高エネルギー密度の電池
– 車の事故においても安全性を保てる電池
– 15年程度の寿命を有する電池
– 東京から大阪まで走行可能な電池
– 低コストの電池
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材料戦略の必要性
容量密度現存 150 mA h g-1
開発中 200 ~ 300 mA h g-1
将来 400 mA h g-1
容量密度現存 350 mA h g-1
開発中 500 ~ 600 mA h g-1
将来 1000 mA h g-1
500 ~ 700 W h kg-1の電池
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従来技術とその問題点
• 放電: SEI（表面皮膜）の不均一性
– 不均一な電流分布
– 充電に影響
– リチウム金属の析出形態の問題：デンドライト
• 充電:リチウム金属の析出形態
– デンドライト状リチウム金属の生成
– 表面積の増大による電解液との反応活性化
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何が必要か？
• リチウム金属負極の性能を改善するためには、特に充放電のサイクル特性を向上させるには、リチウム金属の形態制御が必要である。
• この目的のためには、精密な電流分布の制御が必要である。
• 加えて、表面皮膜の形成によりリチウム金属表面の電解液に対する反応性を抑制しなければならない。
8
これまでの技術の方向
• 表面皮膜の状態に関する解析
• 新規電解液に関する検討
• 電解液に添加剤を入れて、表面皮膜を安定かさせる試み
9
どうすればいいのか？
• 電解液の正しい選択
• 人工的な電流分布の制御
• 人工的な皮膜生成の制御
• これらの要求を満足させるための新規セパレータの開発
• 三次元規則配列多孔構造を有するポリイミドセパレータの開発
10
三次元規則配列多孔構造を有するポリミドセパレータ
3DOMセパレータ
•三次元規則配列多孔構造•高い気孔率 (約 70%)
•いろいろな材料でこの構造を作製することができる
均一な電流分布をリチウム金属表面にこのセパレータが提供することにより、リチウム金属のデンドライト発生を抑制でき、充放電可能なリチウム金属負極を実現することができる可能性がある。
通常のセパレータ
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三次元規則配列多孔構造を有するポリミドセパレータの作製
Silica /
Polyimide
composite
Heat treatment
320 C 1 h
Elimination of
silica template with 10
wt% HF aqueous
solution
Polyamic acid
O NH
O
NH
O
OH
O
HO
O n
Silica template
O N
O
O
N
O
O
n
Polyimide
DMAc solution of
polyamic acid
3DOM polyimide
membrane
1 cm
12
ポリイミドセパレータ
Silica particle 1.5 m 550 nm 280 nm
Pore diameter / nm 1330 390 200
Porosity / % 85 80 72
Mean diameter of
connecting window / nm
350 100 50
Connective window
13
ポリイミドセパレータ
14
従来セパレータとの比較
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
80 85 90 95 100
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
80 85 90 95 100
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
80 85 90 95 100
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
80 85 90 95 100
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
Pore size 250 nmConventional separator (PP)
Pore size 500 nm Pore size 900 nm
15
従来セパレータとの比較Pore size 250 nmConventional separator (PP)
Pore size 500 nm Pore size 900 nm
5m 5m
5m 5m
16
従来セパレータとの比較
-400
-200
0
200
400
90 95 100 105 110 115 120
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-400
-200
0
200
400
3080 3085 3090 3095 3100 3105
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-400
-200
0
200
400
1000 1005 1010 1015 1020 1025 1030 1035
Vo
ltag
e / m
V
Time / hour
-400
-200
0
200
400
2040 2045 2050 2055 2060 2065 2070
Vo
ltag
e /
mV
Time / hour
100cycle 1000cycle
2000cycle 3000cycle
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従来セパレータとの比較
Rechargeable lithium battery with high energy density 310 Wh
kg-1 exhibited good cycle ability.
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 50 100 150 200
Vo
ltag
e / V
Capacity / mAh g-1
150
100
150200
250
0
50
100
150
0 50 100 150 200 250
Ca
pa
city
/ m
Ah
g-1
Cycle number
□ 3DOM polyimide separator
○Conventional separator
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従来セパレータとの比較
3DOM polyimide separatorConventional separator
5 m5 m
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想定される業界
• 利用者・対象
膜製造メーカー
電池製造メーカー
自動車メーカー
• 市場規模
電気自動車およびスマートグリッド用電池の市場規模の10%程度
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実用化に向けた課題
• 製造コストおよび材料コストの削減
• 大量生産のためのプロセス技術
• 異なるポリマー材料の選定
• 最適な電解液の選定
• 安全性に関する実験
• プロトタイプ電池の作製と評価
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企業への期待
• 基本的な特性については実証済みであり、パートナーが必要。
• 電気自動車を真剣に走らせることを考えている企業の積極的な参画。
• 製造に関する技術の提供
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本技術に関する知的財産権
■発明の名称
二次電池用セパレーターおよび
これを用いたリチウム二次電池
■出願番号 ：特願2009-208065
■出願人 ：公立大学法人首都大学東京
■発明者 ：金村聖志、笹島慶二、棟方裕一
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産学連携の経歴
• 2004年-2011年 JFEケミカルと共同研究実施
• 2007年-2012年 NEDO 次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発／次世代技術開発／構造規制型新規金属負極の研究開発に採択
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お問い合わせ先
公立大学法人首都大学東京
産学公連携センター
産学公連携コーディネータ 鷲田 弘
ＴＥＬ 042－677－2729
ＦＡＸ 042－677－5640
e-mail washita-hiroshi＠jmj.tmu.ac.jp
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