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リチウムイオン電池活物質の開発と電極材料技術
〜材料・合成技術と電気化学特性データ解析・評価〜
〜新規活物質の特性改善と課題解決への指針〜

[コードNo.14STM015]

■体裁/ B5判並製本 459ページ
■発行/ 2014年1月30日 サイエンス&テクノロジー(株)
■定価/ 77,000円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-86428-089-1

LiBの性能を決定づける正極・負極活物質を開発例とその特性データが満載!

≪高容量・高工ネルギー密度化≫  ≪長寿命・サイクル特性向上≫  ≪安全性向上≫ ≪低コスト化≫
すべてを満たすために、今後どのような活物質を開発すれば良いのか?


・・・新規材料の検討はいまどこまで進んでいるのか?
…合成条件や結晶構造・材料組成が電気化学特性に与える影響は?
…正極・負極の組み合わせの検討例は?
…導電助剤やバインダー等、添加剤の選定・最適化による電極調整例は?

現行材料を超えるための既存材料の改良/新規活物質の開発例と課題、実用上の要求特性を満たすための開発指針を解説!

著者

金村聖志 首都大学東京
辰巳国昭 (独)産業技術総合研究所
井手本康 東京理科大学
野口健宏 日本電気(株)
中島昭 日揮触媒化成(株)
常盤和靖 東京理科大学
八尾健 京都大学
西島主明 シャープ(株)
江ア正悟 シャープ(株)
谷口泉 東京工業大学
本間剛 長岡技術科学大学
小松高行 長岡技術科学大学
中村龍哉 兵庫県立大学
内田悟史 関西大学
山縣雅紀 関西大学
石川正司 関西大学
瀧本一樹 富士重工業(株)
柳田英雄 富士重工業(株)
波戸崎修 富士重工業(株)
小野田雅重筑波大学
小島敏勝 (独)産業技術総合研究所
池内勇太 (独)産業技術総合研究所
向井孝志 (独)産業技術総合研究所
坂本太地 (独)産業技術総合研究所
山野晃裕 (独)産業技術総合研究所
片岡理樹 (独)産業技術総合研究所
森下正典 (独)産業技術総合研究所
幸琢寛 (独)産業技術総合研究所
境哲男 (独)産業技術総合研究所
平山雅章 東京工業大学
菅野了次 東京工業大学
田渕光春 (独)産業技術総合研究所
蔭山博之 (独)産業技術総合研究所
渋谷英香 (株)田中化学研究所
堂前京介 (株)田中化学研究所
中原謙太郎日本電気(株)
直井勝彦 東京農工大学
堤宏守 山口大学
冨田靖正 静岡大学
朝倉大輔 (独)産業技術総合研究所
大久保將史(独)産業技術総合研究所
西原洋知 東北大学
京谷隆 東北大学
岩村振一郎北海道大学
福井弘 東レ・ダウコーニング(株)
稲葉稔 同志社大学
薄井洋行 鳥取大学
坂口裕樹 鳥取大学
多湖雄一郎大同特殊鋼(株)
木村優太 大同特殊鋼(株)
宇井幸一 岩手大学
水畑穣 神戸大学
荻原隆 福井大学
鳶島真一 群馬大学
園山範之 名古屋工業大学
武田保雄 三重大学
今西誠之 三重大学
脇坂康尋 日本ゼオン(株)
高橋直樹 日本ゼオン(株)
富川真佐夫東レ(株)

書籍趣旨

<実用材料の特性改善>
・層状酸化物正極―表面被覆・超音波処理による電極特性改善
・他元素置換による5V級スピネルマンガン正極と耐高電圧電解液の開発
・微細構造制御によるスピネルマンガン正極のサイクル特性改善
・スピネルマンガンとのハイブリッド化による三元系正極の特性改善
・リン酸バナジウムリチウムの添加による三元系正極の特性改善 安全性評価

<低コスト・高効率な活物質合成、改質を実現するプロセス技術>
・ガラス結晶化法 ・炭化水素ガス熱分解法 ・高周波誘導加熱法

<低コスト素材による正極開発>
・ケイ酸塩ポリアニオン、硫黄(SPAN、炭素ナノ複合体、硫黄ファイバー)、フッ化鉄、プルシアンブルー類似体正極

<実用化迫るシリコン系負極の開発状況 ―原料・構造・組成検討・体積膨張・不可逆容量への対応>
・SiO、リン酸スズガラス、Sn-Sb系硫化物ガラス、Si-SnC2O4系、Si-Sn-Fe-Cu:4元系Si合金、Si-O-C材料
・既存正極と組み合わせた全電池による充放電特性・安全性評価データ
・ナノ構造制御、鱗片状シリコン粉末、他金属元素とのコンポジット化

<合金系以外の次世代負極>
・酸化鉄、酸化鉄添加SiO-C、酸化チタン、複合金属酸化物、ナノ粒子窒化物など

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 自動車や電力貯蔵用途などの大型蓄電デバイスに向けて、LiBの高エネルギー密度化への要求は強く、新たな材料研究・開発が盛んに行われています。
 このような中、本書では、LiBの性能を左右する材料でありながら、これまでの解説書では総説的に語られることの多かった正極・負極活物質の開発事例を中心に構成しています。
 現行材料の改良や新規材料の検討例に加え、より簡便で低コストな合成方法等について、豊富な電気化学特性データを交え、その研究者自身に解説頂いています。また、新たな活物質の特性を活かすためのバインダー選定や電極形成法等の材料技術についても一部、解説しています。
 LiBの高性能化に向けた新たな活物質・電極材料技術開発のヒントが大いにつまった本書は、現在研究開発を行っている方や、新規参入を検討している方のお役にたつ一冊です。(書籍企画担当)

目次

第1部 リチウムイオン電池の高エネルギー密度化に向けた活物質および電極形成技術の
    開発指針

1 既存材料を改良
1.1正極
1.2負極
2 新規材料の開発
2.1正極
2.2負極
3 電極形成技術
3.1正極
3.2負極
3.3厚膜化

第2部 正極活物質

第1章層状酸化物系
第1節電極特性に関与する層状酸化物正極/電解液界面相の変化と表面被覆による制御
1 正極粒子ナノ表面
1.1 正極/電解質界面相
1.2 正極粒子ナノ表面の変化
2 正極材料への被覆技術
2.1 被覆物の種類
2.2 被覆により期待される機能
2.2.1 表面電気伝導性
2.2.2 表面化学状態改質
2.2.3 フッ酸(HF)捕捉機能
2.2.4 物理的遮蔽機能
2.3 被覆物の形態・効果と被覆手法
2.3.1 被覆物の形態と機能
2.3.2 被覆手法
2.3.2.1気相法
2.3.2.2湿式法
2.3.2.3乾式法
2.4 その他の被覆効果
第2節超音波処理によるリチウムイオン電池用正極材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 の電池特性および結晶構造
1 実験方法
2 超音波処理試料の物性、電池特性と結晶・電子構造
2.1試料のキャラクタリゼーション
2.2電池特性
2.3結晶構造解析
2.4マキシマムエントロピー法による電子密度分布
第2章スピネル系
第1節他元素置換5V級正極と耐酸化電解液の開発による高電圧動作電池の長寿命化検討
1 5V級スピネル正極材料の開発 (置換元素の検討)
1.1 正極活物質作製と評価
1.1.1活物質作製と結晶構造評価
1.1.2充放電特性評価
1.2 寿命特性(サイクル特性)評価
1.3 サイクル特性評価後の負極のICP組成分析
1.4 Ti置換5V正極検討のまとめ
2 耐酸化電解液の開発
2.1 従来の電解液溶媒を使った5V級セルの特性評価
2.2 耐酸化性電解液の検討
2.2.1フッ素化リン酸エステルの検討
2.2.2耐酸化電解液まとめ
第2節ハイブリッド正極材料の合成とその電極特性
1 混合電極
2 ハイブリッド正極材
2.1LiMn2O4を主成分とするハイブリッド正極材(T)
2.2層状三元系正極材を主成分とするハイブリッド正極材(U)
第3節高圧合成法によるカルシウムフェライト型マンガン酸リチウム正極材料の合成とその電極特性
1 高圧合成法を利用した物質開発
1.1高温高圧合成装置
1.2高圧合成法の利点
2 カルシウムフェライト型LiMn2O4の作製方法
3 結晶構造
4 電気化学特性
5 カルシウムフェライト型へのTiおよびNi置換効果
第4節ナノインクルージョン形成によるスピネルマンガン正極のサイクル特性向上
1 実験方法
1.1試料作製
1.2X線回折測定ならびに電子顕微鏡観察
1.3電池性能評価
2 結果と考察
第3章ポリアニオン系
第1節エアロゾルと粉体技術を用いた各種ポリアニオン系正極材料の合成と炭素複合化およびそれらの電極特性
1 噴霧熱分解法とボールミル粉砕法によるポリアニオン系正極材料の合成と炭素複合化
1.1噴霧熱分解法による材料合成と炭素複合化
1.2リン酸塩系正極材料の合成とその電極特性
1.3ケイ酸塩系正極材料の合成とその電極特性
第2節ガラス結晶化法によるポリアニオン系正極材料合成
1 オリビン型LiFePO4およびLiMnxFe1-xPO4
2 リン酸バナジウム系LiVOPO4 およびLi3V2(PO4)3
3 ケイ酸塩系材料
第3節炭化水素ガス熱分解法によるリン酸鉄リチウム/炭素複合体の合成と電気化学特性
1 炭化水素熱分解法によるカ−ボン被覆
2 カ−ボン被覆されたリン酸鉄リチウム粒子の電気化学特性
第4節高周波誘導加熱法によるリン酸鉄リチウム正極材料の合成とその電極特性-合成コスト低減に向けた新規プロセスの検討-
1 高周波誘導加熱法
2 合成手順
3 焼成条件と生成物の物性および電気化学特性
3.1最適な焼成温度の選択
3.2電気伝導率の改善
3.3格子定数の改善
第5節リン酸バナジウムリチウム材料(LVP)の開発と正極添加材としての活用
1 LVP材料開発
1.1材料開発
1.2充放電試験結果
2 電池開発
2.1電極設計
2.2性能評価
2.3充放電試験
2.4出力特性
2.5入力特性
2.6信頼性(サイクル特性)
2.7安全性(釘刺し試験)
第6節リン酸ピロリン酸バナジウムリチウム正極活物質の開発
1 多結晶及び単結晶合成
2 結晶構造
3 電気化学特性
4 バナジウムイオンの電子形態
5 リチウムイオンのダイナミクス
6 リチウムの部分脱離相及び過剰挿入相
7 リチウム−銀の部分置換相
第7節ケイ酸塩系正極材料の合成方法とその電極特性、電池性能と安全性
1 Li2MSiO4正極のこれまでの検討
2 シリケート系正極材料の合成
3 溶融炭酸塩をフラックスに用いる合成方法
4 シリケート系正極材料の電極特性
5 Li2FeSiO4を用いた実電池の作製と評価
6 シリケート系正極材料を用いた全電池と安全性試験
7 シリケート系正極材料の新展開
第4章リチウム過剰層状酸化物・固溶体系
第1節鉄置換Li2MnO3系、鉄およびチタン置換Li2MnO3系正極材料の合成と特性改善の取り組み
1 特性改善のための鉄およびチタン置換Li2MnO3系正極材料の作製手法
2 炭素還元に伴う鉄置換Li2MnO3系正極材料の構造および価数変化
3 炭素還元に伴う鉄置換Li2MnO3系、鉄およびチタン置換Li2MnO3系正極材料の充放電特性の変化
第2節リチウム過剰遷移金属酸化物の構造と電気化学特性との相関-合成手法の検討による構造制御か・電極特性に及ぼす影響-
1 リチウム過剰遷移金属酸化物の結晶構造と電気化学特性
1.1結晶構造
1.2電気化学特性
2 金属水素化物による低温還元反応を用いたLi2MnO3-dの合成、構造、電気化学特性
2.1酸素脱離相の合成方法
2.2酸素脱離相の構造
2.3電気化学特性
3 高圧法を用いたLi2Mn3/8Co1/4Ni3/8O3-dの合成、構造、電気化学特性
3.1合成方法
3.2結晶構造
3.3電気化学特性
第3節超遠心力処理技術による固溶体/ナノ炭素複合正極材料の合成とその電極特性
1 超遠心ナノハイブリッド技術
2 Li2MnO3-LiMO2/CNF複合体の作製
2.10.7Li2MnO3-0.3LiNi0.5Mn0.5O2/CNF複合体
2.20.7Li2MnO3-0.3LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2/CNF複合体
3 Li2MnO3-LiMO2/CNF複合体の電気化学的評価
3.10.7Li2MnO3-0.3LiNi0.5Mn0.5O2/CNF複合体
3.20.7Li2MnO3-0.3LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2/CNF複合体
第5章硫黄系
第1節硫黄系正極材料の開発動向およびSPAN・有機硫黄系正極の開発と電極特性-SiO負極と組み合わせた電池性能評価-
1 硫黄系正極の開発動向
2 SPAN正極材料の合成と電極・電池を用いた評価の概要
3 SPANの材料特性
3.1SPAN構造の考察
4 電極およびセルの作製と充放電試験条件
4.1塗工電極
4.2カーボンペーパーを集電体に用いた電極
4.3電池構成
5 電極・電池の性能
5.1SPAN電極のサイクル寿命
5.2SPAN電極の放電レート特性
5.3フルセル用Liプリドープ設計
5.4SPAN/SiO電池のサイクル特性
5.5SPAN/SiO電池の温度特性
5.6大型電池
5.7SPAN/SiO系電池の安全性試験
5.8釘刺し試験
5.9過充電試験と発生ガスの分析
5.10SPAN負極
6 SPANの大量合成
7 PAN以外の原料を用いた有機硫黄系正極
8 SPAN正極を用いたその他の電池
8.1ポリマー電解質電池
8.2イオン液体電池
8.3全固体電池
8.4バイポーラ型電池
8.5メタルフリー電池
8.6ナトリウムイオン二次電池
8.7SPAN電極の体積変化
9 まとめと展望
第2節硫黄/炭素ナノ複合体の合成とその電極特性
1 硫黄系正極材料のエネルギー貯蔵原理
2 代表的な硫黄系正極材料
3 単体硫黄のエネルギー貯蔵への応用
4 リチウム硫黄電池
5 硫黄/炭素ナノ複合体
5.1S8/KB複合体の構造
5.2S8/KB複合体の放電機構
6 最新の研究開発動向
第3節硫黄/導電性材料複合ファイバーの調整とその正極材料としての可能性
1 硫黄の特性
2 電界紡糸法について
3 極細硫黄繊維の溶融電界紡糸法による作製とその性質
4 極細硫黄繊維の表面被覆の方法について
5 表面被覆極細硫黄繊維の電気化学特性と電池用正極材料への応用
第6章その他の正極活物質
第1節フッ化鉄正極活物質の安定化と電池特性の向上
1 フッ化鉄の微粒子化・乾燥・酸化
2 表面酸化FeF3の安定性
3 表面酸化による充放電特性向上
4 レート特性およびサイクル特性
第2節プルシアンブルー類似体を用いた低コスト・高容量正極材料の合成とその電極特性-組成制御による高性能化検討-
1 PBAの構造及び組成
2 PBAの電気化学特性
3 欠損含有型PBA(z〜1/3 )の電極特性
4 欠損含有型PBA電極の検討事例
5 無欠損型PBAの電極への応用検討
6 無欠損型MnMn-PBA電極の問題点
7 今後の展望

第3部 負極活物質

第1章合金系
第1節各種シリコン・スズ系負極材料の開発と電池高性能化及び安全性向上
1 合金系負極の基礎特性と高性能化
1.1はじめに
1.2現行の4V系リチウムイオン電池の課題
1.3各種合金負極の基礎特性
1.4SiO負極を用いた電池特性
1.5Sn系負極
2 リン酸スズガラス(GSPO)負極の開発と電池特性、安全性評価
2.1はじめに
2.2GSPOの製造プロセス
2.3GSPO負極を用いたセルの作製と評価
2.4GSPO負極の構造と充放電メカニズム
2.5GSPO負極の電極特性
2.6GSPO負極と種々の正極を組み合わせたセルの電池特性
2.7GSPO負極を用いたセルの安全性
2.8まとめ
3 Sn-Sb系硫化物ガラス負極の開発と電池特性、安全性評価
3.1はじめに
3.2Sn-Sb系硫化物ガラス負極の特性
3.3硫化物ガラス-シリコン複合体負極の特性
3.4硫化物ガラス-シリコン複合体負極を用いた電池特性
3.5電池の安全性試験
3.6ナトリウムイオン電池用負極への展開
4 Si-SnC2O4系複合負極材料の開発と電池特性、安全性評価
4.1はじめに
4.2Si-SnC2O4負極特性
4.3電池化
4.41Ah級ラミネート電池での安全性評価
5Si系負極の開発と電池特性、安全性評価
5.1はじめに
5.24V系正極/SiO負極セルの性能と安全性
5.34V系正極/Si負極セルの性能と安全性
5.4おわりに
第2節シリコン/炭素複合体負極のナノ構造制御による高性能化
1 Siナノ粒子の周囲に緩衝空間を配置したSi/C複合体負極
1.1鋳型法による材料合成
1.2緩衝空間サイズと充放電特性の関係
2 Siナノ粒子の構造変化とその利用
2.1Siナノ粒子の構造変化
2.2炭素被覆Siナノ粒子の構造変化
2.3構造変化と充放電特性との関係
2.4シワ状構造の解析
2.5容量制限による構造変化の抑制
第3節Si-O-C負極材料の特徴とその電気化学特性
1 Si-O-C材料の概要
2 化学組成
3 構造的特徴
4 電極および電池特性
第4節鱗片状シリコン粉末によるSi負極のサイクル特性向上と不可逆容量低減
1 鱗片状シリコン負極の充放電特性
2 表面皮膜形成剤(ビニレンカーボネート)の添加効果
3 初期不可逆容量の低減
4 長期サイクル試験結果(ハーフセル)
第5節遷移金属シリサイドとのコンポジット化によるシリコン系負極の特性向上
1 コンポジット化によるSi系負極の性能改善のメカニズム
2 フェロシリコン(Fe-Si)を用いたコンポジット
3 Fe-Si/Siコンポジット電極の負極性能
4 FeSiとFeSi2の性質の違い
第6節ガスアトマイズ法によるSi合金粉末作製とその負極特性
1 Siを用いた負極活物質について
1.1 Si合金の開発コンセプト
1.2 ガスアトマイズ法によるSi合金粉末の作製
2 合金系とサイクル特性の関係について
2.1 第2元素の選択
2.2 第3元素の選択
2.3 合金マトリクスの特性調査
2.4 4元系への展開
3 Si-Sn-Fe-Cuで構成される4元系Si合金
3.1 Si合金中の合金マトリクス構成比の調整
3.2 Si合金粉末中のSi量と粉末粒径の調整
3.2.1Si量と粉末粒径の水準
3.2.2サイクル特性
3.2.3初期クーロン効率
3.2.4電極の厚み変化率
第7節液相析出法による酸化スズナノ粒子の合成と泳動電着法による酸化スズ負極の開発
1 「ナノ材料」を導入した次世代電極材料
2 液相析出法について
3 泳動電着法について
4 リチウム二次電池用電極の製造プロセスへの泳動電着法の適用
5 泳動電着法の適用泳動電着法を用いるリチウム二次電池用SnO2ナノ粒子負極の作製
第2章チタン酸リチウム 噴霧熱分解法によるチタン酸リチウムの合成と負極特性〜ナノ粒子化による放電容量の向上〜
1 噴霧熱分解法によるチタン酸リチウムの合成
1.2チタン酸リチウムの粉体特性
1.3チタン酸リチウムの負極特性
2パルス燃焼噴霧熱分解法によるチタン酸リチウムナノ粒子の合成
第3章その他酸化物系・コンバージョン反応系
第1節酸化鉄・酸化鉄添加SiO-Cおよび酸化チタン負極材の合成とその電極特性
1 リチウム電池用新負極材料の検討例とコンバージョン反応
2 Fe2O3負極の基本特性
3 SiO-C電極の充放電特性に与えるFe2O3混合の効果
3.1SiO-C電極の基本特性
3.2酸化鉄添加によるSiO-C電極特性の改善
3.3電極作製手順
3.4SiO-C/ Fe2O3混合電極の充放電試験結果
3.5SiO-C/ Fe2O3混合電極の充放電特性のまとめ
4 アルカリ水溶液処理した酸化チタン/炭素複合体の負極特性
第2節層状複水酸化物を前駆体に用いた複合金属酸化物ナノ粒子の合成とその負極特性
1 コンバージョン反応
2 層状復水酸化物
3 LDHの焼結により合成した複合酸化物の構造と特性
3.1LDH焼成体の構造
3.2LDH焼成により得られた複合酸化物の電気化学特性
第3節TiO2(B)の粒子径制御による高容量化とその電極特性
1 TiO2(B)の合成と充放電特性
2 TiO2(B)粉末の形状制御による電極密度の向上
3 粒子粉砕による電極密度の向上
第4節窒化物を用いた高容量・高サイクル特性負極材料の開発
1 Li3N構造を有するリチウム遷移元素窒化物のLi挿入脱離反応
2 リチウム二次電池負極材料としての窒化物
3 反応機構、最近の動向

第4部 バインダーの材料技術・高機能化の進展と電極特性の向上効果

第1章水系バインダーの開発と電極特性向上効果およびスラリー作製のポイント
1 負極用バインダー
1.1 バインダーの種類と特徴
1.2 スラリー作製上の留意点
1.3 乾燥上の留意点
1.4 負極用バインダー
1.4.1充電状態における発熱量への影響
1.4.2バインダーによる電池性能への影響
1.4.3シリコン系活物質での電池性能改善
2 正極用バインダー
2.1 正極用バインダーの種類と特徴
2.2 正極用水系バインダー
2.3 水系バインダーの分散性
2.4 水系正極用バインダーを用いた電池の性能
第2章ポリイミドバインダーの開発と高性能電池への適用
1 負極活物質について
2 負極用バインダー
3 東レにおけるポリイミド系材料への取り組み経緯
3.1 リチウムイオン電池用バインダーラインナップ
4 正極用バインダー
5 安全な高容量電池開発に向けた取り組み
6 東レグループの取り組み



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