特集　Liイオン二次電池産業と技術の最近の進歩

巻頭言
　日本電気(株)研究開発グループ　主席技師　米澤正智
　1992年にLiイオン二次電池が量産を開始されて以来満6年が経過し,1999年には生産額が3000億円を突破すると予測され,大きな産業に育っている.この電池の量産は日本がほぼ独占しているという特徴ある産業の領域である.二次電池では,ニッケル・カドミウム電池が携帯用電池として先行し,その後ニッケル・水素電池がその後に登場した.Liイオンはこのニッケル・水素電池に対して1-2年遅れて登場したが,重量エネルギー密度が高いという特徴が認められ,価格が高いにも関わらず,爆発的に普及してきたPHSや携帯電話,ノートパソコンへの搭載が進み,これらの機器の軽量化に貢献し,一次電池を含めてあらゆる電池の中で最も生産額の高い電池となっている.
　この6年間の間には技術的な大きな進展があった.円筒型の標準である18650型では量産開始時期に1000mAhの容量であったが,最近では1600-1700mAhのものが市場に出るまで高くなってきた.Liイオン二次電池を構成する電極材料は,正極活物質であるLi酸化物と負極活物質材料である炭素材料がある.この活物質以外にはバインダーや導電性付与材があり,電極物質を担持する導電性基材であるアルミ箔や銅箔がある.正極と負極の間を絶縁するがイオンを通す,微細な空孔を有する高分子のセパレータ,Liイオンの移動を可能にする有機系電解液と電解質がある.更に電池の総重量に大きな影響を与える外装の金属缶ケースあり,安全性の確保に寄与するPTC素子なども含まれる.
　電池としての性能はこれらの材料単独の性能は当然重要であるが,それぞれの材料をいかに組み合わせるかも重要な要因であり,しかも二次電池の特徴である充電を繰り返しても性能の低下を抑制しなければならない.従って初期性能のみならず,数百回のサイクルを経た後の性能を維持するために評価解析も重要である.二次電池では充放電を繰り返す内に,電解液の分解と分解物質の電極上への堆積現象もあり,しかもこの現象が環境温度や動作電圧にも影響を受けるという現象自身の複雑さと解析の困難さがある.
　生産プロセスとしては有機系電解液は水分の影響を受けやすいので,工程的にドライな環境での電池組立が必要であり,構成部材の水分管理も重要な要因である.
　電池のコストパフォーマンスを上げるために,材料面からは正・負極の活物質の高性能化や価格低減のための研究開発が多方面の機関で行われている.これらの材料開発にはエレクトロニクス用セラミックスの開発手法が活用されている.二次電池の新しい応用としてエレクトロニクス用の携帯電池のみならず,環境問題の解決にも貢献する自動車等の輸送機器にも搭載可能な大容量電池や瞬時に放電できる能力を高めたパワー用電池の開発も進展している.
　本特集号は上記の観点から最近の進歩を紹介できる内容を纏めたものであり,読者に参考になれば幸いである.紙面の都合でポリマー系の電池までは盛り込めなかったが,これはまたの機会に譲ります.

転換期を迎えたリチウムイオン電池市場
■著者
(株)野村総合研究所　情報・通信コンサルティング部　竹下　秀夫

■要約
ノートパソコンや携帯電話など携帯端末の小型・軽量化を実現するためのキーデバイスの一つとして,高いエネルギー密度を持つリチウムイオン電池が注目されている.市場規模は過去五年以上にわたって飛躍的に拡大しており,98年は全世界で2500億円を突破するに至ったが,ここにきてその急成長にブレーキがかかっている.ここでは市場の現状と問題点を述べるとともに,まもなく登場する新製品リチウムイオン・ポリマー二次電池の動向についても触れる.


リチウムイオン電池用LiNiont 1-x-yCoont xMnont yO2正極活物質の合成と充放電特性
■著者
三洋電機(株)研究開発本部ニューマテリアル研究所　渡辺　浩志、西田　伸道、藤谷　伸、米津　育郎

■要約
現在,リチウムイオン電池の正極材料としては,コバルト酸リチウム(LiCoO2)が主流でありスピネル型のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)も一部に用いられているが,それぞれコストや寿命特性などの問題がある.筆者らは,新しい正極材料としてニッケルの一部をコバルトで置換したリチウム-ニッケル-コバルト複合酸化物の合成法,そして,この合成法を用いてマンガンを複合化させたリチウム-ニッケル-コバルト-マンガン複合酸化物について検討した.ここでは,これらの研究について述べる.


リチウムマンガンスピネルの相関係と構造
■著者
神戸大学　理学部化学科　菅野　了次

■要約
リチウム二次電池正極材料としてスピネル型LiMn2O4が注目されている.コバルトやニッケルに比べマンガンは安価で資源に問題がないため,大型電池の電極材料に有望とされている.その構造と物性の研究も電池材料への展開に伴って進行し,物質の本質の固体化学的な理解も深まっている.ここでは,リチウムマンガンスピネルの組成制御と相関係,結晶構造,物性などに着目して述べる.


噴霧熱分解法によるLiMn2O4の合成と評価
■著者
(株)村田製作所　技術開発本部　第2開発グループ　機能材料研究部　服部　康次、山下　裕久

■要約
すでに実用化されているコバルト酸リチウムを用いた電池は,原料のコバルトが高価であることから,小型携帯機器向けの電池としては実用化されているが,EV用などの大型電池用の活物質として用いることは難しい.そこで,埋蔵量が多く,比較的安価なマンガンを用いたマンガン酸リチウムを活物質として用いる研究が精力的に行われている.筆者らは,噴霧熱分解法が,原料を溶液状態で混合することから組成均一性に優れ,かつ特徴的な粒子形状が得られることに着目した.ここでは,リチウム二次電池用活物質としてLiMn2O4の合成を試みを紹介する.


Mnスピネル系正極を使用した電池の開発と実用化
■著者
日本電気(株)　研究開発グループ　米澤　正智、日本電気(株)　機能材料研究所　電池材料開発センター　白方　雅人

■要約
LiCoO2系の正極材料を用いたLiイオン二次電池は,量産を開始されて以来6年以上の歴史がある.これに対してLiMn2O4系正極材料を用いたLiイオン二次電池は市場に投入されて約2年半を経過する段階に至っている.ここでは,このLiMn2O4系正極材料とこれを用いたLiイオン二次電池の開発と実用化の状況を学会や産業界並びに日本電気グループの現状も含めて紹介する.


MCMB系負極材料
■著者
大阪ガス(株)　研究開発部　応用研究所　エネルギー変換貯蔵　チームマネージャー　嘉数　隆敬

■要約
リチウムイオン電池の構成材料の中で,負極炭素材料は,正極活物質に次いでコスト比率が高い.しかし,それ以上に電池の高容量化の鍵を握る材料として注目を集めており,多くの研究開発が電池メーカのみならず材料メーカでもなされている.そういった中で,MCMB(メソカーボンマイクロビーズ)は,容量,初回の充放電効率といった電極性能以外に,安全性,プロセッシング性を含めた総合的に使いやすい材料として,国内,海外を問わず多くの電池メーカに採用されている材料である.ここでは,MCMBについての製造,一般物性,電極材としての性能についての概略を述べる.


LiMn2O4系に対する導電付与剤,集電体&電解液の効果
■著者
山形大学工学部物質工学科　松木　健三 、立花　和宏

■要約
電池は複合デバイスである.それぞれの部材が組み合わされたときにどのような相互作用を有するかについて十分に検討されないうちに,実際の製品の製造がなされれば,個々の部材の評価結果が製品の製造に正しく反映されるとは言いがたく,現在の電池技術はまさにこのような状態にある.ここでは,複合デバイスである電池の内部で起きる個々の現象がどのように全体の挙動として発現するのかについて考察し,コストパフォーマンスから次世代正極活物質として注目されているLiMn2O4を中心に,またそれに対する導電付与剤,集電体&電解液の効果の関係を述べる.


リチウム二次電池5V級正極活物質の電子状態
■著者
京都大学大学院エネルギー科学研究科　内本　喜晴、 八尾　健

■要約
高い放電電圧(4.0V vs. Li/Li+)を有するリチウム二次電池の,高エネルギー,高出力密度化をはかるために,正極材料に関する様々な研究が行われてきた.特に,スピネル型の結晶構造を有するLiMn2O4は安価で高電位を有する正極材料として注目され,研究が行われている.また,LiMn2O4中のMnを3d遷移金属で置換することにより約5V vs. Li/Li+で,充放電が可能であることが報告されており,さらなる高エネルギー密度正極活物質として注目されている.ここでは,これらの正極活物質の電極特性を明らかにするために,X線吸収端近傍構造法(X-ray Absorption Near Edge Structure:XANES)を用いて,電子状態変化を検討した例について述べる.


リチウムイオン二次電池の高出力化
■著者
(株)ソニー・エナジー・テック　古賀 靖信、任田 正之

■要約
環境改善に対する自動車の役割は大きく,各自動車メーカーは,無公害,低公害,低燃費を目的とした開発を活発に進めており,開発テーマの一つに電気自動車(EV)開発がある.リチウムイオン二次電池の高出力化検討は,EV用電池開発からスタートしているということから,ここでは,EVの話も交えながらプロトタイプ電池で得られた結果をもとに,リチウムイオン二次電池の高出力電池としての可能性について紹介する.


EV及びHEV用リチウムイオン二次電池
■著者
日産自動車(株)　総合研究所　材料研究所　堀江　英明

■要約
環境・エネルギー問題等の観点から,電気自動車(EV)あるいはハイブリッド電気自動車(HEV)への関心が高まっている.EVあるいはHEV普及における大きな課題の一つは電池に関わるものと言える.例えば航続距離の長いEVの実現には,エネルギー密度の高い電池が必要となり,HEVに用いるのであれば,従来に比べよりパワー密度の大きな電池が求められる.ここではEVあるいはHEV用電池に要求される技術的課題を概観するとともに,研究・開発を進めてきたEV用リチウムイオン電池システム,及びHEV用リチウムイオン電池システムの特徴とその有効性について論じる.


解説
厚膜法による電極の形成とその評価
■著者
住友金属鉱山(株)電子事業本部　電材事業部　ペースト部　車　声雷、高田　功、野村　修一、安田　拓夫、東京工業大学　工学部　水谷　惟恭

■要約
厚膜技術,すなわちペーストを利用した製膜技術は1970年代以来IC,LSIを搭載するハイブリッドIC技術の発展に伴い急速に進歩し定着してきた.今では厚膜技術はマイクロエレクトロニクスの領域で主要な製造プロセスの一つとなっている.ここでは,エレクトロニクス素子の製造やセラミック材料の電気特性評価を目的とした金属電極膜の形成に使われる導体ペーストおよびその成膜方法を紹介し,形成された電極膜の評価や需要が着実に増えてきている積層セラミックコンデンサー(Multilayer Ceramic Capacitor,以下MLCC)の内部電極の形成についても述べる.