リチュウム電池技術及び産業発展のトレンド

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1 リチュウム電池技術及び産業発展のトレンド 潘金平 Tel: 工業技術研究院 材料與化工研究所 2011/3/22

2 EV Benefits: Cost saving (fuel and maintenance) Reduce/eliminate CO2 emissions Fuel up at home Can provide back up power to your house リチウム電池 EV の生産状況 メーカー トヨタ 日産 ホンダ 三菱 GM ダイムラー BMW THINK ヒュンダイ EV の種類 PHEV EV HEV EV PHEV HEV HEV HEV EV HEV 車名 プリウス プラグインハイブリッド リーフ 未定 i-miev Volt 未定 S400 ハイブリッド 7 シリーズ ActiveHybrid THINK City Sonata Hybrid Blue Drive 外観 電池サプライヤ PEVE AESC BEJ LEJ LG 化学 HVE JCS EnerDel LE 化学 電池ユニットの種類 角型 ラミネート型 角型 角型 ラミネート型 円筒型 円筒型 ラミネート型 ラミネート型 電池容量 5.2kWh 24 kwh 未定 16 kwh 16 kwh 0.5 kwh 0.8 kwh 20 kwh 1.4 kwh ユニットの電流容量 5Ah 35 Ah 6 Ah 50 Ah 約 20Ah 4.4 Ah 6.5 Ah 20 Ah 5.3 Ah 正極材料 NCA 系 Mn 系 三元系 Mn 系 Mn 系 Mn 系 Mn 系 Mn 系 Mn 系 備考 2009 年に 600 台を限定販売 HVE 向けに開発されたユニットが沿用されている模様 2012 年ルノーと提携して 50 万台の EV を発売予定 2011 年に発売予定 プジョーシトロエンへの供給を含み 2012 年に 5 万台を発売 2010 年 12 月発売 2010 年内発売予定の HEV 2009 年夏に欧州で発売 2010 年春に欧州で発売 2010 年米国で発売 2010 年末米国で発売 PEVH:Primearth EV Energy AESC:Automotive Energy Supply BEJ:Blue Energy Japan LEJ:Lithium Energy Japan HVE: 日立ビークルエナジー株式会社 JCS:Johnson Controls-Saft Advanced Power Solutions

3 EV と動力リチウム電池の重要な課題 EV Li ion Battery Module EV 関連の課題 Energy Storage Service Model Electric Propulsion Telematics 動力リチウム電池関連の課題 Cost &Safety High Energy High Power High charge Cycle Life

4 ニッケル水素電池は安くて 安定性が高い 各種 EV 向け電池の比較表 リン酸鉄リチウム電池はサイクル寿命が長い ニッケル水素 三元系 リチウムマンガン リン酸鉄リチウム 材料 ニッケル金属が主 コバルト ニッケル マンガン リチウム マンガン ( 主 ) リチウム 鉄 リン酸 用途 ハイブリッド車 EV EV EV 価格 ( 台湾ドル / 個 ) 長所 - 安定性が高い - 価格が安い - 作動温度範囲が広い -エネルギー密度が高い - 初期電圧が高い - 技術が成熟している - 大電流放電特性に優れている - 価格が安い -サイクル寿命が長い - 安定性が高い 短所 - 軽微なメモリ効果現象 -サイクル寿命が短い - 安定性がやや劣る - 高温 (>70 ) 環境で寿命が長い - 初期電圧が低い - 技術がまだ萌芽期にある - 体積エネルギー密度が低い セルメーカー 金山電 能元 能元 有量 必翔 昇陽 瑞能 主な搭載 EV トヨタ プリウス 第三世代 BMW Mine E Luxgen MPV 三菱 i-meev GM Volt BYD F3DM 資料出所 : メーカー各社 非凡新聞周刊 (2009 年 8 月 23 日 )

5 リチウムイオン / リチウムポリマー電池の原理 正極 : LiCoO 2 Li (1-x) CoO 2 +xli + +xe - 負極 : C 6 +xli + +xe - Li x C 6 Charge 全反応 : LiCoO 2 +C 6 Li (1-x) CoO 2 +Li x C 6 Discharge Heterogeneous electrochemical reaction with transportation of ion and electron e - e - M M M M M M e M M M + e - M + M + e - e- e - e - e M M e - M + M + M + M+ + M + M + M M M M Energy density Power density Cycle life Safety Cost Charge rate

6 6.3% 材料コストの分析 BOM of LFP Battery (40Ah: Prismatic Power Cell) 13.7% 1.1% 3.1% 0.4% 3.5% 2.3% 29.9% Cathode Al Anode Cu Separator Electrolyte Ccover with vent/cid Case Conductive carbon 2.1% PVDF/NMP 23.8% 13.7% Others (pin,ptc,disk,tab,tape)

7 ESTIMATED MATERIAL COST OF BARE LI-ION CELLS (NOT INCLUDE CAN, SAFETY VENT AND COVER) Cost of positive material is more sensitive for energy cells Power cells need cost reductions in other components too (e.g. separator, electrolyte, Cap design, etc.) A cost target of completed battery for $250~300/kWh is feasible!

8 各種リチウムイオン材料 資料出所 : 1st Int l Rechargeable Battery Expo-Lithium-ion Batteries for Advanced Automobiles, GS Yuasa Corp., 温田敏之

9 急速充電の負極材料

10 High Power Anode Material (Li 3 ) 8a (Li, Ti 5 ) 16d (O 12 ) 32e + 3 e Li + 3Ti +4 3Ti +3 (Li 6 ) 16c (Li, Ti 5 ) 16d (O 12 ) 32e Spinel Rock salt Enerdel Toshiba Pros & Cons of Li 4 Ti Ti 5 O 12 - High-rate charge capability - Safe (3D spinel structure) - No SEI (high potential~1.5v) - Long cycle life - Low cost< US 20/Kg - Low capacity(160 mah/g) - Low electron conductivity

11 高安全性電池技術

12 Capacity & Cell Number of Li-ion Battery cells 1 cell 10 cells 10 recalls of NB & Mb in from leading companies 12

13 Safety mechanism of Li ion battery (pack) Abuse condition Internal Short External Short Over Charge Charge after Over Discharge 1 St :Electronic Design Protected circuit(i V T abnormal) Protected circuit (PACK) Protected circuit (PACK) Pre-Charge (PACK) 2 nd :Mechanic Design PTC CID rd :Material Design Separator shut down ~130 Thermal setting technology Damage Heating Gas emission Fire Explosion STOBA ( self terminated oligomers with hyper-branched architecture) temperature

14 Nail pentration test of different kinds of cathode chemistry vs. energy density of Li-ion cells Cathode chemistry LiMn 2 O 4 LiCoO 2 Li[Ni,Co,Mn]O 2 Cell energy density (Wh/kg) Cell types 18650, (soft pack) (soft pack) 18650, (soft pack) Cell capacity (Ah) 1.4, , 10 Nail penetration test (Nail Φ=2.5mm) Φ=2.5~5 mm) w/o STOBA w STOBA Fail Pass Fail Pass Fail Pass

15 Temperature Curve of the Nail Test of LiCoO 2 Cell Voltage(V) Cell Voltage 1.3Ah w/o STOBA 1.3Ah with STOBA Short point temp. 1.3Ah w/o STOBA 1.3Ah with STOBA Temp.( o C) Time (sec)

16 Temperature Curve of the Nail Test of LiMn 2 O Cell LiMn 2 O 4, =2.5mm, v=1.0mm/sec w STOBA (1400mA) w/o STOBA (1400mAh) Temp. ( o C) Time (sec)

17 High C rates test of LiMn 2 O cells w/o STOBA w/o STOBA C 1C 2C 8C 10C with STOBA with STOBA C 1C 2C 8C 10C Voltage (V) Voltage (V) Capacity (Ah) Capacity (Ah) C rates capacity ratio(%) 1C 2C/1C 8C/1C 10C/1C w/o STOBA 1.47Ah C 2C/1C 8C/1C 10C/1C with STOBA 1.47Ah

18 Cycle test of 10Ah LNCM cells at RT Ah 1C-1C cycle RT 25 o C, V capacity retention(%) STOBA inside 0% STOBA Resistance (Fresh cell) Resistance (Cycle cell) Resistance increased(%) 10Ah+0% 1.86 m-ohm 4.34 m-ohm (888 cycles) 133% 10Ah+ STOBA 2.31 m-ohm 4.02 m-ohm (1024 cycles) 74%

19 Cycle life of LiNiCoMnO2 Battery(776285) Discharge Capacity (Ah) C/1C Cycle 2 Cyc. 400 Cyc. (mah) (mah) (%) 500 0% STOBA % 2% STOBA % Cycle Number Discharge Capacity (Ah) C/1C Cycle 2 Cyc. 500 Cyc. o C (mah) (mah) (%) 0% STOBA % 2% STOBA % Cycle Number Long cycle life at H.T.

20 STOBA Production Cell/Pack verification E-Van demonstration project A Good Integration of STOBA (MCL) & Battery Companies & E-Van ( MSL) Amita Use STOBA-inside 5Ah pouch cells to form 1S6P module 84S*2 LiB pack by MSL STOBA-inside Paste MCL 1S6P STOBA material E-One Moli 3S35P Use STOBA-inside 2Ah cylindrical cells to form 3S35P module 28S LiB pack by MSL Delivery of production cells MSL System level verification Cell/Pack testing by MCL

21 Technology roadmap/ Diffusion Scenario For Battery(Japan) Battery Capacity Battery Costs Distance per charging EVs PHEVs FCVs Spread 1x 1x 1/2x 130km 1.5x 1/7x Battery improvements 3x 1/10x 200km Lithium ion battery performance improvement Introduce and demo tests (400km,3000hrs) General use of fuel cell vehicles (800km,5000hrs) Commutes 7x 1/40x 500km Post-lithium ion battery development, etc. Genuine Diffusion Related Technology High performance batteries Rare earth substitute materials 既有二次電池 ( 鉛酸電池 鎳氫電池等 ) ポストリチウム電池時代 (2020 年 ) の電池技術発展分析 全固体電池 金属空気電池 多価カチオン電池 燃料電池 革新的電池の実用化 2020 年以降の自動車向け動力電池性能の目標 : Energy Density: 600Wh/L(2020)/ 1000Wh/L(2030) 250Wh/Kg(2020)/ 500Wh/Kg(2030) Power Density:1500W/Kg(2020)/ 1000W/Kg(2030) Cycle Life:(10-15 年 ) Distance per Charging:200km(2020)/500km(2030) Cost:20JPY/Wh(2020)/10JPY/Wh)(2030)