・ 正極材Ni、Coのサプライに振り回されても、逃げ場が無いとも見える。
・ 安価な鉄リン酸リチウムLFPでは、EVが400Km(WLTC)止まり。
・ 次世代技術はいずこに、欧米のスタートアップ企業に遅れをとってはならない。
・ 正極材のエースLMFP、負極材のエースNTO等々、日本企業は着実にON。
・ 全固体電池のEV搭載は時間の問題、電解液電池も何らかの強みがないとね..。
・ 双極子(バイポーラー)セルと、電極板製造の乾式化(ドライプロセス)いよいよ開始。　
　
　本書は2022年を起点とした、主にBEV用のリチウムイオン電池の生産拡大を、電池材料とプロセスの変化から見た内容である。グローバルな生産拡大に関しては、前著「x/zEV用電池の拡大(目標、現状とグローバルな態勢)」において取り上げた。

　上記に関する調査や整理の過程で、特に気が付いた事は、1.主役である正極材の棲み分けが変わって来た、2.負極材もリチウムメタルやシリコン系、あるいはチタン系(LTO、NTO)など、汎用材では不可能な、新たな特性、比容量や比出力を求めて拡大している、3.電解液やセパレーターなど、一見して変化は見られないが、BEVに特化した進化が含まれている。

　更にはサプライ・チェーンの制約から、バインダーはPVDF/NMP溶剤から水系ラテックスへ移行し、同時に乾式プロセスによる、合理化された電極板製造への模索が始まった。これらはリチウムイオン電池30数年の歴史の中で、懸案であった事項が、電解液系から固体電解質系へのパラダイム・シフトと相まった流れである。

　全固体セルへの流れの一部は、電解質の交代と同時に、セルの構造を単極子から双極子(バイポーラー)へと発展させている。双極子はニッケル水素や鉛蓄電池では、むしろ古典的な技術である。新たなリチウムイオンでの、固体双極子セルは、新たな可能性を秘めていると言えよう。

　本書で以上の内容を取り上げたが、最先端の内容だけに、技術情報の開示や、特許情報も極めて少ない。現時点で敢えて本のテーマとした、内容の不備はご了解の上で見て頂きたい。　　　(菅原 秀一)

第1章　リチウムイオン電池の概要(製造工程と原材料・部材) — 1
1.1　リチウムイオン電池の基本構成と電気化学 — 2
1.1.1　電池(セル)の基本構成 — 3
1.1.2　正・負極の電気化学反応 — 4
1.1.3　リチウムイオン電池の特徴 — 5
1.1.4　セルの正常動作領域と正負極電位 — 6
1.1.5　汎用有機電解液の電気分解領域 — 7
1.1.6　極板の塗工パターン(正負、両面) — 8
1.1.7　セルの電極構造と熱伝導(放熱) — 9
1.2　電池の充放電特性、エネルギーとパワー — 10
1.2.1　20Ahセルの充電と放電(充放電レート 0.2C～3C) — 11
1.2.2　エネルギー特性とパワー特性 — 12
1.2.3　Ragone plot、パワー特性の向上(質量kg基準表示) — 13
1.2.4　リチウムイオン電池の中期目標 — 14
1.3　製造プロセスと原材料、部材 — 15
1.3.1　リチウムイオン電池の製造全工程 — 16
1.3.2　全工程の原料、部材と工程のステップ — 17
1.3.3　リチウムイオン電池製造、原材料と工程(1) — 18
1.3.4　リチウムイオン電池製造、原材料と工程(2) — 19
1.3.5　原材料と部材>EV電池メーカー — 20
1.3.6　リチウムイオン電池生産の分業 — 21
1.3.7　負極電極板の塗工と検査 — 22
1.3.8　製造設備と工程費(大型セル) — 23
　　
第2章　正極材の選択(1) ハイニッケル&コバルト系 — 24
2.1　正極材メーカーの動向、2021-2023 — 24
2.1.1　正極材の新規生産計画、直近12ヶ月 — 25
2.1.2　正極材の新規生産計画、～2022 — 26
2.1.3　正極材メーカーのグローバル展開 — 27
2.2　NMCxyzの特性と比較 — 28
2.2.1　NMCxyz系正極材の放電特性(1) — 29
2.2.2　NMCxyz系正極材の放電特性(2) — 30
2.2.3　NMCxyz系正極材の放電特性(データ) — 31
2.2.4　NMC三元の素原料コストと相対比較 — 32
2.2.5　NMC単、二と三元系正極材の共通性 — 33
2.3　NMCxyz三元系、選択の基礎理論と数量 — 34
2.3.1　NMCxyz系正極材の理論容量 — 35
2.3.2　NMCxyz系正極材の放電特性 — 35
2.3.3　(参考)正極材の放電容量GWhあたり重量Kg — 36
2.3.4　(参考)正極材ごとのリチウムLiの所用量、1,000GWhレベル — 37
　　
第3章　正極材の選択(2)、LFPなどコバルトフリー系 — 38
3.1　正極材の新規計画一覧とLFPの基本特性 — 39
3.1.1　LFP正極材による電池生産計画、メーカー別動向 — 40
3.1.2　正極材の参入企業と動向、2Q/2022 — 42
3.1.3　最近のコバルトフリー正極材の動向、2022/2Q — 44
3.1.4　コバルトフリー正極材の比較(データ) — 45
3.1.5　コバルトフリー正極材の比較(Ah) — 46
3.1.6　コバルトフリー正極材の比較(Wh) — 47
3.1.7　正極材のAh容量(単元、二・三元系) — 48
3.1.8　(参考)正極材のLi Kg/kWh比較(1C容量)データ — 49
3.1.9　(参考)　正極材のkWh放電容量あたり重量Kg — 50
3.1.10　(参考)正極材の化学式、式量と(Li Kg/Ah)データ — 51
3.2　LFP正極材の基礎特性 — 52
3.2.1　鉄リン酸リチウム正極セル特性(1)容量とCレート — 53
3.2.2　鉄リン酸リチウム正極セル特性(2)サイクル — 54
3.2.3　正極材の粒径と比表面積とモルフォロジー — 55
3.2.4　LFPの改良モルフォロジー — 56
3.3　LFP正極電池の事例と傾向 — 57
3.3.1　LFP正極のリチウムイオン電池、製品例 — 58
3.3.2　エリーパワー(株)の角槽型LFP正極電池 — 59
3.3.3　SAFT社のVL25Fe Cell — 60
3.3.4　BYD社のLFP正極材電池とバス — 61
3.3.5　中国におけるLFP正極材の生産、GGII — 62
3.3.6　正極材の選択、中国電動自動車 2019/4月 — 62
3.4　新規LFMP正極材の特性 — 63
3.4.1　(部分引用)LFMPの台頭、日経産業新聞、2022/11/22 — 64
3.4.2　新規LMFP正極材の特性比較 — 65
3.4.3　LMFP正極材セルの放電カーブ(文献引用) — 66
3.4.4　正極材の遷移元素の放電電位(文献値) — 67
3.4.5　正極材の電気伝導率(mS/cm) — 67
3.4.6　正極材の真比重と電極密度 — 68
　　
第4章　負極材の選択(1)　新・炭素系とリチウム・メタル — 70
4.1　(炭素/リチウム)負極の基本特性 — 71
4.1.1　正極と負極、主役と脇役 — 72
4.1.2　各種負極材の理論容量 — 73
4.1.3　炭素系負極の構造模式図 — 74
4.1.4　炭素、黒鉛系負極材の品種とメーカー — 75
4.2　等方性の炭素負極材 — 77
4.2.1　炭素・黒鉛系負極材の異方性と特性 — 78
4.2.2　負極材の選択とパワーVS.エネルギー(データ) — 79
4.2.3　負極材の選択とパワーVS.エネルギー特性 — 80
4.2.4　負極材の選択とセルの安全性 — 81
4.3　リチウム・メタル負極 — 82
4.3.1　リチウムメタル負極の開発、2023 — 83
4.3.2　(記事部分引用)リチウム硫黄電池(GSyuasa、SSB) — 84
4.3.3　正極と負極材の理論容量 — 85
4.3.4　リチウムメタルと炭素の比較 — 86
4.3.5　充放電可能なCell VOLUME 、イメージ図 — 87
4.3.6　元素の電気伝導度 Ω・m — 88
4.4　リチウム合金系負極 — 89
4.4.1　負極材の理論容量(1)、mAh/gとmAh/cm3 — 90
4.4.2　合金系負極材の体積変化と比較(比重) — 91
4.4.3　合金系負極材の体積変化と比較(比体積) — 92
4.4.4　合金系負極材のLi化ステップ — 93
4.4.5　合金系負極材のLi数と実用域 — 94
　　
第5章　負極材の選択(2) LTOとNTO系 — 95
5.1　LTO負極セルの特徴と材料サプライ — 96
5.1.1　非炭素系負極材 — 97
5.1.2　LTOとNTOの開発状況、2000～2023 — 98
5.1.3　LTO　負極セルの反応 — 99
5.1.4　LMO正極/LTO負極セルの充放電過程 — 100
5.1.5　カーボン・コーティングLTOの容量とレート特性 — 101
5.1.6　LTO負極セルのサイクル特性(放電容量維持率) — 102
5.1.7　(引用)LTO負極セルの進歩 — 103
5.1.8　表面カーボンコーティンによるLTO負極材の特性改良 — 104
5.1.9　各社のLTO負極セルの特性 — 105
5.1.10　三菱自動車MiEVのLTO負極電池 — 106
5.2　NTO負極セル — 107
5.2.1　NTO、LTOとC6の理論容量 — 108
5.2.2　電池の電極構成と電解質溶液1.2Mの分布 — 109
5.2.3　(引用) (株)東芝のNTO負極材、2023 — 110
5.2.4　(引用) (株)東芝のNTO負極セル — 111
5.2.5　TiO2系負極材の特性と比較 — 112
5.2.6　WO5系負極材の特性と比較 — 113
5.2.7　TiO2系とWO5系負極の理論容量(計算過程) — 114
　　
第6章　電解液と電解質(種類と特性) — 115
6.1　汎用電解液系 — 116
6.1.1　汎用電解液 — 117
6.1.2　汎用有機電解液のイオン伝導度、温度変化 — 118
6.1.3　ECベースの電解液とイオン伝導度 — 119
6.1.4　汎用有機電解液の電気分解領域 — 120
6.1.5　有機電解液の酸化、還元(HOMO、LUMO) — 121
6.1.6　有機電解液の酸化、還元(データ) — 122
6.2　汎用有機電解液のイオン伝導度、温度変化 — 123
6.2.1　電解質(Li塩)の特性 — 124
6.2.2　主な電解質(Li塩)の分子量と組成、2023 — 125
6.2.3　各種電解質の特性、ステラケミファ社 — 126
6.2.4　電解液と電解質 の一般特性 — 127
6.2.5　電解質のリチウムイオン、動き易さ — 128
6.3　新規な電解質の特性と応用 — 129
6.3.1　(文献引用)(NMC622/LiFSI/Liメタル)セル — 130
6.3.2　電解液及び電解質の酸化、還元(HOMO、LUMO) — 130
6.3.3　(文献)LiFSIの特性と応用 — 131
6.3.4　(文献引用)Li+の脱溶媒和 — 131
　　
第7章　セパレータ、民生用と電動車用 — 132
7.1　セパレータの現状と増設計画 — 133
7.1.1　セパレータメーカー一覧 — 134
7.1.2　セパレータに関する現状と新規計画、2021 — 134
7.1.3　国内電池材料関係の補助2023、経済安全保証推進法 — 135
7.1.4　金属・樹脂材料の供給サプライ・チェーン(難易度) — 136
7.1.5　金属・樹脂材料のサプライ・チェーン — 137
7.1.6　金属・樹脂材料の供給SC、基盤の産業 — 138
7.1.7　セパレータ面積の試算　EV100万台/年 — 139
7.2　電動車用セパレータ — 140
7.2.1　リチウムイオン電池と温度、熱暴走 — 141
7.2.2　セパレータのシャットダウン特性 — 142
7.2.3　セパレータの機能と温度(モデル) — 143
7.3　(資料)セパレータの種類と製法 — 144
7.3.1　セパレータの種類と製法 — 145
7.3.2　樹脂基材セパレータの製法 — 146
7.3.3　各種セパレータの特徴 — 146
7.3.4　新しい機能性セパレータ — 147
　　
第8章　電極バインダー(有機系/水系の選択と乾式工程) — 148
8.1　バインダー全体の開発動向 — 149
8.1.1　バインダー、導電剤と機能の発現 — 150
8.1.2　各種バインダーポリマーの構造と配合 — 150
8.1.3　正極材の選択と電極バインダーの選定 — 151
8.1.4　電極バインダーに関する動向、～2023 — 152
8.1.5　電極バインダーの現状と展開、2022 — 153
8.1.6　各種負極材の膨張率とバインダー — 155
8.1.7　ポリイミド、ポリアミド・イミド系バインダー — 156
8.1.8　バインダーポリマーの耐熱性アップ — 157
8.2　PVDFバインダーとNMPのサプライ — 158
8.2.1　PVDFバインダーに関する動向、～2021 — 159
8.2.2　PVDFメーカーの製品と増産計画 — 161
8.2.3　PVDFの原料(モノマー)のサプライ・チェーン — 162
8.2.4　溶剤NMPの合成ルート — 163
8.2.5　正極のバインダーとNMPの使用量、NMC811 — 164
8.2.6　正極のバインダーとNMPの使用量、LFP — 166
8.3　電極板製造とドライプロセスへの取り組 — 167
8.3.1　極板の塗工パターン(正負、両面) — 168
8.3.2　電極板の断面と塗工欠陥 — 168
8.3.3　電極板の塗工>乾燥の効率モデル — 169
8.3.4　乾式プロセスへの取り組、2022-23 — 171
8.3.5　欧州のドライプロセス開発(1) — 172
8.3.6　欧州のドライプロセス開発(2) — 173
8.3.7 ポリマーのガラス転移点Tgと融点Tm — 174
8.3.8　PVDFの酸化、還元(分子軌道計算) — 175
8.4　ドライプロセスの特許と各社の方法の紹介 — 176
8.4.1　特許国際分類IPC、ドライ電極製造 — 177
8.4.2　ドライ電極製造、マクスウエル社特許(1) — 177
8.4.3　ドライ電極製造、マクスウエル社特許(2) — 178
8.4.4　ダイキン工業(株)のドライプロセス — 178
8.4.5　米AMB社の乾式プロセス — 179
8.4.6　(株)東芝のSCdEプロセス、2023 — 179
8.4.7　エレクトロスピニング(紡糸) — 180
8.4.8　エレクトロスピンPVDFファイバー — 180
8.4.9　(引用)GSユアサの静電塗装セパレータ — 181
8.4.10　ポリマーゲルをセパレータとした例 — 182
8.4.11　ポリマー系材料のハイブリッド化 — 183
　　
第9章　集電箔と外装型式(円筒、角槽と平板) — 184
9.1　集電箔の電気化学と選定 — 185
9.1.1　銅箔とアルミ箔の選択 — 186
9.1.2　集電箔の厚さと目付量 — 187
9.1.3　標準1Ahセル 体積と重量 — 188
9.1.4　アルミニウム(正極)集電箔の電気化学的な特性 — 189
9.1.5　銅(負極)集電箔の電気化学的な特性 — 190
9.1.6　極板の欠陥と不良例 — 191
9.1.7　過放電によるセルのガス膨張と電極板の崩壊 — 192
9.2　電池の外装型式(円筒、角槽と平板) — 193
9.2.1　セルの内部構造と熱伝導(放熱) — 194
9.2.2　電池(セル)の外装型式と電極板製造 — 195
9.2.3　大形リチウムイオン電池の外装型式と特性(1) — 196
9.2.4　大形リチウムイオン電池の外装型式と特性(2) — 196
9.2.5　EV用電池の外装型式、多様性と選択 — 197
9.2.6　EV用リチウムイオン電池の外装型式とメーカー — 198
9.2.7　自動車用電池の外形と容量(1)日本車 — 199
9.2.8　自動車用電池の外形と容量(2)欧米車 — 199
9.3　電池の外観図(円筒、角槽と平板) — 200
9.3.1　円筒型 — 201
9.3.2　角槽型 — 201
9.3.3　平板型のタブ端子 — 202
9.3.4　最近の高性能平板型 — 202
　　
第10章　電池の特性(比容量と比出力) — 203
10.1　エネルギー特性とパワー特性 — 204
10.1.1　エネルギーとパワー、トレードオフ — 205
10.1.2　エネルギー特性の低下、パワー特性の低下 — 206
10.1.3　Ragone Plot、パワー特性(質量kg基準表示) — 206
10.1.4　最近の製品電池の比容量(1)、2018-2019 — 207
10.1.5　最近の製品電池の比容量(2)、2018-2019 — 208
10.2　電解液系セルの比容量(正極材レベル) — 209
10.2.1　LFP系およびNMC系の製品電池、比容量Wh/Kg — 210
10.2.2　円筒型セルのAh容量、体積V、表面積SとS/V — 211
10.2.3　4680Cell(TESLA社)推定データ — 212
10.2.4　円筒型セルのAh容量と比容量Wh/kg — 213
10.2.5　電解液系電池の理論限界は!、全固体の領域は? — 214
10.2.6　現在の液系リチウムイオン電池、300Wh/Kg — 215
10.2.7　電解液電池の比容量モデルと極限比容量 — 216
10.2.8　セルの比容量Wh/kgの向上モデル — 218
10.2.9　比容量レベル Max 400Wh/Kg — 219
10.3　単電池の比容量と搭載システムの重量 — 220
10.3.1　単電池の比容量Wh/kgとBEV車載電池の重量kg — 221
10.3.2　電池の比容量とEV搭載電池重量Kg(グラフ) — 222
10.3.3　セルのモジュール化に伴う比容量の低下(モデル) — 223
　　
第11章　全固体リチウムイオン電池の実用化 — 224
11.1　液体電解質から固体電解質へ — 225
11.1.1　何故に “ 全固体電池 ”か — 226
11.1.2　液系電解液(質)から全固体電解質へ — 227
11.1.3　電解質のイオン伝導度(理化学値) — 228
11.1.4　電解質のイオン伝導度(デバイス値) — 229
11.1.5　固体粒子間のLi+移動、模式図 — 230
11.1.6　固体粒子間の接触界面、模式図 — 230
11.2　硫化物系と酸化物系(参入企業と動向) — 231
11.2.1　硫化物系全固体電池の開発、2022-23 — 232
11.2.2　硫化物系全固体電池の特性例(日立造船(株)) — 233
11.2.3　酸化物系全固体電池の開発、2022-23 — 234
11.2.4　半固体電解質電池の開発、2022-23 — 235
11.2.5　全固体電池への参入企業(パターン) — 236
11.2.6　全固体電池の開発(1)自動車メーカー — 237
11.2.7　全固体電池の開発(2)既存電池メーカー — 238
11.3　EV用途の全固体電池(高温域の可能性) — 239
11.3.1　BEV用途の全固体電池、Q2/2023 — 240
11.3.2　自動車用全固体電池、開発情報(1)発売時期一覧 — 242
11.3.3　自動車用全固体電池、開発情報(2)～2021/1Q — 242
11.3.4　課題 BEVの安全性規格の制定と運用 — 243
11.3.5　熱制御型PHV/HV 全固体電池システム — 244
11.3.6　ダイムラー社HEVの電池配置と冷却方法(2005) — 245
11.3.7　固体電解質の温度と電池の機能モデル — 246
11.4　全固体電池への期待とロードマップ — 247
11.4.1　全固体リチウムイオン・セルへの期待 — 247
11.4.2　BEV用リチウムイオン電池のシナリオ、逆転も可能 — 248
11.4.3　NEDOの全固体電池ロードマップ — 248
11.5　(参考) EVにおける電池の発熱と冷却 — 249
11.5.1　リチウムイオン電池の発熱理論(1) — 250
11.5.2　リチウムイオン電池の発熱理論(2) — 250
11.5.3　EV用電池ユニットの急速充電と発熱データ — 251
11.5.4　主要EVの電池システムの冷却方式、2023 — 252
11.5.5　平板型電池ユニットの自然空冷方式 — 254
11.5.6　TESLA社 Model-S、循環水冷方式 — 254
11.5.7　Audi eーtron EVの間接液体冷却方式 — 255
11.5.8　VW車のID.3とID.4、間接水冷方式 — 255
　　
第12章　双極子(バイポーラー)電池 — 256
12.1　電極構造と電極端子 — 257
12.1.1　電池(セル)の基本構成 — 258
12.1.2　単極子セルの電極構造 — 259
12.1.3　双極子(バイポーラー)型リチウムイオン電池(セル) — 260
12.1.4　バイポーラーセルの製品事例 — 261
12.1.5　双極子(バイポーラー)型セルの構成(1) — 262
12.1.6　双極子(バイポーラー)セルの構成(2) — 263
12.1.7　双極子(バイポーラー)セルの構成(3) — 264
12.1.8　双極子セルと正・負極材の選択(1) — 265
12.1.9　双極子セルと正・負極材の選択(2) — 266
12.1.10　バイポーラー型ニッケル水素電池、PEVE — 267
12.1.11　(引用)バイポーラー型NiMHセル — 267
12.2　電極板の塗工方式(両面か片面) — 268
12.2.1　双極子(バイポーラー)セルのユニット(1　通電可能) — 269
12.2.2　双極子(バイポーラー)セルのユニット(2　通電不可) — 270
12.2.3　単極子セルの電極断面図、同極の両面電極層 — 271
12.2.4　電極板の塗工方式(流れ方向) — 272
12.2.5　逐次片面方式、ヒラノテクシード(株)汎用塗工機 — 273
12.2.6　同時両面塗工、東レエンジニアリング(株) — 273
12.2.7　銅箔とアルミ箔の選択 — 274
12.3　セルの接続(直列と並列) — 275
12.3.1　単電池、組電池とシステム — 277
12.3.2　組電池とシステム JIS C 8715-1引用 — 278
12.3.3　並列セルの定電圧充電 (4.2V) — 278
12.3.4　直列セルの定電流充電(5A) — 279
12.3.5　単純直列充電におけるセルの過充電 — 279
12.3.6　三直列セルの過充電(ガス膨張) — 280
12.3.7　過充電セルの膨張率と特性変化 — 280
12.3.8　過充電セル(膨張)の経過 — 281
12.3.9　均等充電とBMS(公開特許図面) — 282
12.3.10　放電電圧モデル、双極子vs.単極子 — 283
12.3.11　アルミ箔上の鉄リン酸リチウム正極セル特性 — 283
12.4　全固体電池と半固体電池との関連 — 284
12.4.1　APB、三洋化成工業、2020/12/21 — 285
12.4.2　京セラ(株)のENEREZZA — 286
12.4.3　双極子(バイポーラー)セルの可能性 — 287
12.4.4　(引用)トヨタ自動車の双極子型全固体電池(1) — 288
12.4.5　(引用)トヨタ自動車の双極子型全固体電池(2) — 289
12.4.6　(記事の部分引用)(株)東芝の双極子型全固体SCiB — 290
12.5　双極子セルの製造方法 — 291
12.5.1　双極子セルと電解質(液)の関係 — 292
12.5.2　単極子セルへの電解液の侵入方向 — 293
12.5.3　単極子セルの製造工程 — 294
12.5.4　リチウムイオン電池(セル)の外装型式 — 295
12.5.5　ポリマーゲルによる内部短絡回避 — 296
12.5.6　PVDFゲル電解液系のイオン伝導度 — 297
12.5.7　双極型電池の製造方法、特許公開 — 297
12.5.8　バイポーラー型全固体電池(特許公開1) — 298
12.5.9　バイポーラー型全固体電池(特許公開2) — 298
　　
第13章(終章) まとめ — 299
13.1　蓄電デバイスの課題 — 300
　　
成書と参考資料一覧 —