エネルギーデバイスの評価技術と今後の展望

株式会社東陽テクニカ理化学計測部 吹田 尚久

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目次
  1. はじめに
  2. リチウムイオン電池の評価技術
  3. その他のエネルギーデバイスの開発動向
  4. エネルギーデバイス評価の今後の展望

はじめに

現在、街を走っている電気自動車(EV)にエネルギー源として搭載されているのは、ご存知の通りリチウムイオン電池(LIB)です。約10 年前から徐々に市場に登場し始めたEVが世界の年間販売台数100万台を突破、毎年数十%の増加率で普及しているのは、LIBの大容量化、軽量化、低コスト化への技術発展があったからに他なりません。今後ますます普及していくと予想されるEVのエネルギーデバイスにはどのような性能が必要とされるのでしょうか。また、LIB 以外のエネルギーデバイスにはどんなものがあるのでしょうか。エネルギーデバイスの変化に伴い、今後要求されると思われる評価技術について考察します。

リチウムイオン電池の評価技術

LIBの基本的な充放電サイクル特性や寿命評価、自己放電特性の評価において、近年のテクノロジーの進化とともに新手法が提案され製品がリリースされています。ここでは当社で取り扱っているNovonix Battery Testing Services社(以下Novonix社)製精密充放電評価システム「UHPCシリーズ」とKeysight Technologies社(以下Keysight社)製自己放電評価システム「BT2191A/BT2152A」の非常に独創的な評価技術を紹介します。

バッテリーの性能と寿命を“はかる”

Novonix社製「UHPCシリーズ」(図1)は、バッテリー研究で世界的に著名なカナダ・ダルハウジー大学のJeff Dahn教授が提唱した手法を製品化したものです。高精度クーロンメトリー(HPC:High Precision Coulometry)の測定を行い、クーロン効率(CE:Coulombic Efficiency)を評価します。Dahn研究室で博士号を取得したChris Burns氏がスピンアウト、2013年にNovonix社を設立し、製品化しました。クーロン効率とは、充電・放電のサイクルを行った時のそれぞれの電流を電荷量として積算、放電電荷QDと充電電荷QCの比を取ったものです。従来の充放電試験は数百~数千回、場合によっては数十万回以上の充放電サイクルによりバッテリーの性能を評価しますが、「UHPCシリーズ」は初期の十数サイクル程度のクーロン効率の変化量より、バッテリー性能の優劣評価、さらには寿命評価を行うことが可能となります。

図1:精密充放電評価システム「UHPCシリーズ」

電解液の添加剤が異なる複数の電池で性能を評価・比較する場合、従来の手法では200サイクルを超えないと性能差異が分かりませんが、クーロン効率で確認すると最初の数サイクルでどの電池の性能が良いか評価することができます(図2)。つまり、添加剤の種類や割合を変えて、どの組成で一番性能が良くなるか、長寿命になるかを十数サイクル程度で判断、素早くスクリーニングすることが可能です(図3)。図 3の縦軸はクーロン非効率 CIE(Coulombic Inefficiency = 1-CE)ですので、棒グラフが低いほど性能が良いことを示しています。

図2:「UHPCシリーズ」と従来の充放電装置との性能差

図3:添加材を変えた場合の電池の性能差

電池メーカーや化学メーカーは、電池に使用する電解質や電極などの材料のさまざまな組み合わせで多くのサンプルを作り、最も高い性能を実現する成分配合を見つけるべく、長時間の試験を行います。従来の充放電装置に代えて「UHPCシリーズ」を使用すると非常に短時間で評価を行うことができるため、電池の高性能化へ向けた開発促進に寄与できると考えます。

自己放電を“はかる”

電池は、使用しなくても内部で少しずつ化学反応が起こっているため、時間経過とともに蓄えられた電気量が減少します。これを自己放電と呼び、その特性は電池の品質にとって重要な指標です。

筆者紹介

株式会社東陽テクニカ 理化学計測部 部長

吹田 尚久

1998年入社。大阪支店で物理および電気化学営業に従事、茨城営業所(当時)を経て2015年より理化学計測部にて国内および中国市場を開拓中。