Mn系フルインターカレーション電池の社会実装

事業化プロジェクト1
CTO

千葉 一美

東北大学 准教授
未来科学技術共同研究センター

　事業化プロジェクト１では、地域企業でも使用しやすく製造しやすい、安全なリチウムイオン電池技術の社会実装に向けた研究開発を行ってまいりました。プロジェクト開始時に本学で有していた電池技術を地域への社会実装に更に適したものにするために、Phase1では当地域も含まれる北日本での稼働を念頭においた低温特性の向上、Phase2では夏場の使用を念頭におきつつ将来の海外展開も見すえた実用的高温寿命の延長、Phase3では今後急速な市場拡大が見込まれる建機やロボット分野等に適した急速充放電能力の向上開発を実施しました。

　上記の開発により、当Mn系フルインターカレーション電池は業界でも独自の立ち位置を確立することができ、大手メーカー製のリチウムイオン電池とは競合しない様々な新用途が次々に開発され地域への当技術の社会実装エコシステムを形成できるようになりました。

事業化プロジェクト１ 「Mn系Liイオン電池」 開発目標

【概要】Mn系フルインターカレーション電池

　Mn系フルインターカレーション電池とは、正極にマンガン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池です。マンガン酸リチウムは、EV向けなどの一般的なリチウムイオン電池の正極材料よりも、①低抵抗であるために大電流を扱える、②結晶構造の熱安定性が高いためにトラブル時の熱暴走が起こりにくく安全性が高い、③湿気に強いために極低湿度環境（ドライルーム）が不要なので設備投資コストを小さくでき小規模事業者でも参入可能、という特徴を有しています。

　当プロジェクトにおける電池特性改善研究のポイントとしては、電解液を研究対象の中心におき下図で示すように電解液を改良することで電池特性の改善をはかっていることがあげられます。これは電極改良よりも容易な電解液改良によって電池特性改善が可能であることを示すことで、この技術の社会実装後に事業を担う地域の小規模事業者でも電池の独自での開発を可能とするためです。

【成果報告】

　当プロジェクトでは、Mn系フルインターカレーション電池技術を地域パートナー企業である株式会社I・D・F（Ishinomaki Dream Factory）に技術移管し、その量産と社会実装に共同で取り組んでまいりました。株式会社I・D・Fでの電池量産にあたっては、電解液取扱い工程のみを小規模な乾燥環境とする形でドライルームレス製法を世界で唯一（推定）確立することができました。

　量産化した電池の形状としては設備投資が比較的小規模で済む積層ラミネート型とし、電池のサイズとしては想定用途（再生可能エネルギーとの組み合わせやロボットなど）を考慮して比較的大型なものとしました。株式会社I・D・Fでは、ラミネート単電池のみならず、複数の単電池を組み合わせた「電池モジュール」、電池モジュールに制御回路を組み込んで顧客で電池を使用しやすくした「電池パック」も独自に量産化することで、当電池の社会実装を推進しています。

　電池特性の改善に関しては、Phase1（低温対応）とPhase2（実用的高温寿命延長）では前述のように電解液の改良を実施しました。具体的には両Phaseともに電解液中の添加剤を改良することで、電極・電解液の界面状態を制御して電池特性の改善を図っています。この界面に関する研究においては、PJ1とPJ2の密接な連携が必要不可欠であり、東北大学が有する世界トップの界面解析技術を存分に活かすことができました。直接には目に見えない電極・電解液の界面研究が、雪国でも稼働できる蓄電システムという目に見える製品の根幹を支えています。

　Phase3（急速充放電能力向上）では電解液に加えて電極の改良にも着手しました。しかしながら、ここでも「地域企業でも製造しやすい」ことを目標とし、電解液改良を継続して検討することで、電極厚さの最小限の変更のみで十分な急速充放電特性を得ることが可能となりました。