SSK 株式会社 新社会システム総合研究所

■概要■
　本書は「リチウムイオン電極の構成、特性と新たなプロセス」の改訂版(※編集部注:更新版ではありません。前書と比較し、図表・解説の追加や削除があります)に相当する。一年も経たない間に改訂とは、前書の内容が不備であったのか、或いはこの間の技術が著しいかの何れかであろう。筆者の意識としては、何れも含まれる。特に“電極と言うリチウムイオン電池の機能を担う部分を、書籍として調査・執筆を行うには新たな工夫が必要であり、単にページ数の多い本にしたのでは、読者に内容が伝わり難いとの思いがあった。
　本書の技術的な内容であるが、現行の電解液系リチウムイオン電池を否定はしない。しかしながら電解液系の限界は既に見えている。
固体電解質への転換や、同時に双極子(バイホﾟーラー)セル化を電極の乾式化(ドライプロセス)で合理化しなければならない。既に古典となった湿式電極のプロセスは、これで新たなギガセル工場を建てても、コストダウンのネックにしかならない。
　“電極と言いながら、肝心の正極材は新たな硫黄正極のみを扱い、逆に負極材はLTO、NTO、シリコン系とリチウム・メタルを取り上げた。正極材の高性能化はほぼ一段落し、電池(セル)としてのパワー特性(W/Kg、W/L)や、サイクル特性のアップは、負極材の選定と使いこなしがポイントであろう。
　過渡的で結論の出ていない、評価の定まらない組合せも多く取り上げた。
理論値とは言いながら、かなり無理な内容もあるが、読者の討論のきっかけになれば幸いである。

■調査・執筆■
菅原秀一

＜１＞リチウムイオン電極と電池の概要化学電池の電気化学
1．リチウムイオン電池の基本構成と電気化学
　・電池(セル)の基本構成
　・液系セルにおける電極構成と電解質溶液1.2Mの分布　など
2．電池の充放電特性、エネルギーとパワー
　・20Ahセルの充電と放電(充放電レート0.2C〜3C)
　・タイプ別のセルの特性と向上(モデル)　など
3．製造プロセスと原材料、部材と工程
　・リチウムイオン電池の製造全工程
　・全工程の原料、部材と工程のステップ　など
4．良い電極板とは、セル設計との整合
　・リチウムイオン電極の模式図(樹脂バインダー)
　・Wh当たりの電極面積と活物質容量　など

＜２＞EVなど実用電池の特性レベル(2025)
1．正極材の特性(Ah&V)と電池の特性レベル
　・正極材の選定と特性、NMC811とLFP
　・コバルトフリー正極材の比較(Ah)　など
2．EV実装電池(セル)と組電池(モジュール)の特性
　・製品セルにおける比容量、LMFPほか
　・海外EVの電池(モジュール)特性(1)データ　など

＜３＞固体電解質の種類、特性と液系との比較
1．液系電解質と固体電解質の異差、電気二重層の存在
　・リチウム電解質の特性、宇恵誠(三菱化学)
　・電解質溶液系のイメージ、巨大なアニオン　など
2．固電解質の種類と基礎特性、硫化物系と酸化物系その他
　・電解液系とPVDFゲル電解液系のイオン伝導度
　・電解質(固体、液体)と比較物質の特性(グラフ)　など
3．固体電解質の耐電圧(Redox Window)への期待
　・各種電解質の特性と耐電圧
　・固体電解質LGPSのCV曲線　など
4．固体電解質と全固体電池に関する企業の動向
　・全固体電池に関する、直近12ケ月の情報
　・全固体電池への参入企業(パターン)　など

＜４＞セルを構成するイオンと電子伝導Pathの形成
1．正極材/固体電解質/負極材、接触と非接触
　・液系電解液(質)から全固体電解質へ
　・LLZ(正方晶)固体電解質のモルフォロジーと電極化　など
2．イオン伝導Path形成へのアイデア
　・固体電解質セル、イオン伝導パスの形成
　・全固体リチウムイオン電池 構成案1　など
3．固体電解質/イオン媒体/正・負極材
　・PVDFのTg(-36℃)と応用範囲
　・PVDFおよび共重合体の粘弾性スペクトロメーター　など
4．正・負極材の電子伝導とイオン伝導
　・正極材の電気伝導率(mS/cm)
　・正・負極材の電導度(S/cm)　など

＜５＞全固体電池の実用化への現状と課題
1．全固体リチウムイオン電池へのロードマップ
　・蓄電デバイスの東西・南北
　・TOYOTAの全固体電池への取り組み2017-2018　など
2．開発事例と企業動向(1)
　・酸化物系全固体電池の開発、2022-23
　・硫化物系全固体電池の開発、2022-23　など
3．全固体電池のコストモデル
　・GWhあたり正負極材その他部材所要量(実際値)
　・全固体セルの原料・部材の重量、置換部分の重量　など
4．セル設計と電極面積のモデル
　・液系電解液(質)セルの単位電極面積(実測モデル)
　・液系電解液(質)セルの単位電極面積(実測モデル)　など
5．安全性と安全性試験規格
　・全固体電池燃えない、電解液燃える!?
　・電解液系電池の発火、何が燃えているか(1)　など

＜６＞負極材の多様化と選択
1．非炭素系のチタン酸リチウムLTO負極材(1)
　・各種負極材の理論容量
　・LTO 負極セルの充放電反応(1)　など
2．LTO負極材(2)、充放電特性
　・LTOセルの特性(1)、充・放電
　・LTOセルの特性(2)、低温とサイクル　など
3．NTO(ニオブ)と類型負極セル
　・LTOとNTOの開発状況、2000〜2023
　・LTO、NTO負極材の電位と充放電容量(計算)　など
4．その他開発系の負極材
　・TⅰO2系負極材の特性と比較
　・TiO2系とWO5系負極の理論容量(計算過程)　など
5．SiおよびSiO系負極材の概要
　・各種負極材の電位と充放電容量(1グラフ)
　・各種負極材の電位と充放電容量(2データ)　など
6．SiO系開発の経緯、2019〜
　・Si/SiO-C/G系負極材の開発グレードリスト2019
　・AUO社Si-C Anode ANSY-060N　など
7．SiとSn合金系負極材、実用域の見定め
　・負極電極層の密度(嵩比重)と空隙率
　・合金系負極材の体積変化と比較(比重量)　など
8．SiOx/C負極の実用化
　・SiO負極材、国内メーカー2023
　・SiO負極材の製造方法と特性、信越化学工業(株)　など
9．SiOx/C負極のバインダー選択
　・シリコン負極材における、(山崎/駒場)モデル
　・SiO負極材のバインダーと電極の寸法安定性　など
10．SiOx/C系の応用展開

＜７＞(リチウム負極/硫黄正極)電池の理論、構成と可能性
1．非遷移元素の正極と負極の組合せ
　・S8硫黄正極材とリチウムメタル負極(Ahグラフ)
　・正極材の化学式、理論容量と実用容量一覧　など
2．(リチウム負極/硫黄正極)の電極反応
　・LiSuセルの電極反応(1 S8硫黄)
　・LiSuセルの電極反応(2 比較)　など
3．電極動作域の拡大、二次元から三次元へ
　・リチウムメタル負極の利用率向上、三次元化
　・充放電可能な Cell VOLUME ，イメージ図　など
4．最近の開発成果と文献紹介
　・技報引用、リチウムメタル負極の界面351
　・文献紹介、リチウムをプレドープした硫黄正極　など
5．バインダーレスの電極構成
　・(リチウム・硫黄/LiSu)研究の動向、液体系と固体系
　・バイポーラー全固体LiSuセル、正・負極の構成(1)　など
6．目標レベルと可能性
　・硫黄系正極セルGSyuasa
　・GSyuasaのリチウム・硫黄電池　など
7．硫黄原料ソースの可能性
　・硫黄原料ソースの可能性
　・三井金属鉱業(株)のA-SOLiD(R)

＜８＞硫黄系固体電解質の化学特性と安全性
1．硫化物と硫化水素の化学
　・硫化物の一般特性、化学便覧データ
　・硫化物Sulfideと硫酸塩Sulfate　など
2．化学物質規制と研究開発
　・主に化学物質から見た研究と生産
　・試験・研究機関の業務　など
3．硫化物系電解質と硫化水素
　・固体電解質の化学式とイオン電導度(1)
　・LC50　など
4．全固体電池の硫化水素対策
　・硫化物系固体電解質からの硫化水素発生
　・硫化水素対策の特許例(1)Panasonic　など

＜９＞新たな電極設計と乾式プロセスへの移行
1．良い電極板とは、バインダーの役割
　・リチウムイオン電極の模式図(樹脂バインダー)
　・良い電極板とは、正・負極共通の項目　など
2．バインダーの高分子化学、Tg、Tm、と電気化学
　・汎用電解液とポリマーの溶解、膨潤
　・ポリマーのTg vs.Tmグラフ　など
3．現行のポリマーバインダー、メーカーと開発動向
　・電極バインダーの現状と展開、2022〜
　・国内樹脂メーカーの電極バインダー、2024/25　など
4．PVDFバインダー、PFOA&PFOSの誤解と理解
　・PVDF水系ラテックスの開発、2024/25
　・ARKEMA社のPVDF系バインダー(1)現行　など
5．電極板製造の転換、湿式プロセスから乾式へ
　・製造設備と工程費(大型セルの製造)
　・電極板の塗工>乾燥における効率モデル(グラフ)　など
6．乾式プロセスの開発段階(1)、グローバルな動向
　・究極はバインダーレスの電極板
　・乾式プロセスへの取り組、2022-23　など
7．乾式プロセスの開発段階(2)、PTFEフィブリル化法
　・PTFE(テフロン)のフィブリル化(繊維化)
　・リチウムイオン電極の模式図(PTFEバインダー)　など
8．まとめ、乾式プロセスへの期待
　・今後の高性能化、10Ahレベルのセル
　・ドライプロセス化のコストダウン

＜１０＞双極子セルと固体電解質による電極の構成
1．単極子と双極子セルの比較、液絡防止構造ほか
　・電池(セル)の基本構成
　・双極子(左)単極子(右)型電池(セル)　など
2．固体電解質とイオン移動パス、合理的方法は
　・主な固体電解質の化学式と特性、2024
　・固体電解質の特性と化学式量　など
3．固体電解質と双極子セル(1)、構造の合理化
　・単極子/双極子&液体系/固体系
　・電解質(固体、液体)と比較物質の特性(グラフ)　など
4．固体電解質と双極子セル(2)、特許情報ほか
　・特許検索、双極子and固体電解質
　・特表2023-534002、LGC韓国　など
5．双極子セルの実績と今後の開発
　・バイポーラーセルの製品事例
　・バイポーラー型ニッケル水素電池、PEVE　など
6．まとめ、組合せと新たな期待
　・リチウムイオン電池の世界、その先は
　・リチウムイオン・セルの特性向上、Ragone Plot　など

＜１１＞まとめ
　・リチウムイオン電池と周辺の技術分野(1)役割分担と担当する項目
　・リチウムイオン電池と周辺の技術分野(2)技術情報の相互伝達
　・JIS C 8715-2、品質計画と工程管理