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電池


電池

ポストリチウムイオン電池に興味が沸いたので、電池についていろいろ調べてみる。

日本は電池技術に関しては世界トップを誇っている。
電池技術関連特許出願数、日本が世界トップ(全体の3分の1以上が日本)

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池とはプラス極にリチウム金属酸化物、マイナス極に炭素を使い、電解質を充てんした仕組みの電池です。
名前が似ているリチウム電池とは違いリチウムイオン電池は繰り返し充電して使える二次電池となっているのが特徴、小さくて大容量の電力を蓄えられることから携帯電話やノートパソコンのバッテリーとして使われています。

リコー、インクジェット技術を用いてリチウムイオン二次電池を印刷で製造

デメリット

  • 充電に時間がかかる
  • 他の電池に比べると高価
  • 温度変化(高温や低温)に弱い
  • 過充電や過放電にとても敏感
  • 短絡の異常発熱により発火・発煙により爆発や火災のトラブル
  • 長時間充電を満タンにしたまま放置しておくと劣化する
  • リチウムとコバルトはレアメタル
    リチウムは南米のチリやボリビアに偏在しており、地球の地殻成分の0.002%しかありません。
東芝は2020年11月19日、マイナス30℃でも運用できる水系リチウムイオン二次電池(以下、水系電池)を世界で初めて開発したと発表した。電解液に水を用いる電池で、外部要因で火災が起きた際にも安全なのが特徴だという。

東芝が“燃えない”リチウムイオン電池を新開発、低コスト化の実現も

種類

一口にリチウムイオン電池と言っても様々な種類があり、正極、負極、電解質の材料の組み合わせによって性能が変化する。一般的に普及しているものを大雑把に分類すると次のようになる。なお、添加剤の工夫や電極のコーティングなどによっても性能や安全性は向上するため実際はより複雑である。
リチウムイオン二次電池#種類 - wikipedia

正極コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウム
負極黒鉛、チタン酸リチウム、ハードカーボン、チタネイト
電解質炭酸エチレン、炭酸ジエチル、ヘキサフルオロリン酸リチウム
その他バインダー、導電助剤

改良

リサイクル

使用済み携帯電話等に含まれるリチウムイオン電池、および自動車用リチウムイオン電池製造工程から発生する廃正極材に含まれるコバルト、ニッケル、マンガン、リチウムを抽出分離し、それぞれ金属コバルト、金属ニッケル、炭酸マンガン、炭酸リチウムとして回収する
溶媒抽出技術を利用した湿式リサイクル方法は、従来の湿式処理と比較して次の特徴がある。
① コバルト、ニッケルに加えて、マンガン(炭酸塩)、リチウム(炭酸塩)も回収可能。
② 金属コバルト、金属ニッケルまで高純度で製品化(純度99.95%)が可能
リチウムイオン電池からのレアメタルリサイクル(JX金属株式会社 環境リサイクル事業本部 敦賀工場)

材料需要/価格

ポスト・リチウムイオン電池

全固体電池(ソリッドステート電池)

電解質を液体から固体に置き換えたのが全固体電池となります。
リチウムイオン電池と同じく正極と負極の間でリチウムイオンを行き来させて充電したり放電したりするため、全固体電池のことを全固体リチウムイオン電池と呼ぶこともある。

全固体電池はリチウムイオン電池と比べて下記のメリットがあります。

  • より小さな電池でより大きな電力を蓄えることを示すエネルギー密度が高い
  • 高温・低温に強く冷却システムやスペースなどがなくても作動する
  • 固体のため液漏れやそれに伴う発火リスクがない

電気自動車に搭載されれば、航続距離がフル充電で600キロメートル程度、充電時間は10分程度となり、ガソリンスタンドで給油している時間がガソリン自動車とそれほど変わらなくなる。
ただし、材料の探索や製造コスト低減など課題が多く、メインターゲットとされる車載用に実用化されるまでにはまだ時間がかかります。
2020年時点ではウエアラブル機器やIoT機器、半導体関連製品向けなど小型の全固体電池は量産化の動きとなっている。

種類

固体電解質は2種類ある。

  • 酸化物系固体電解質
  • 硫化物系固体電解質(マクセル、出光興産、日立造船)

硫化物系固体電解質は酸化物系固体電解質より高いイオン伝導性を持ちますので、より高性能な全固体電池となる可能性がある。
第1回 究極のバッテリー、全固体電池がEVの普及を加速させる

出光興産は石油会社であり、石油精製時に発生する硫黄化合物を有効活用できる。
出光興産の全固体電池【固体電解質の量産施設を2021年に新設】 - ERESTAGE LAB

実用化

不明

  • ソリッドパワーが2Ahの容量をもつ電池を2020年10月から量産開始

ウェアブル端末やIoT端末向け

  • 村田製作所は補聴器用の全個体電池を2020年度下期に量産を開始
  • TDKが電子基板に実装するチップ型の「セラチャージ(CeraCharge)」を2020年6月に量産化に移行
  • FDKが高電圧のSMD(表面実装用の部品)対応小型全固体電池「SoLiCell」を2020年内に量産開始
  • マクセルがコイン型の全個体電池(硫化物個体電解質)を2021年から本格量産

スマートフォン、タブレット端末向け

  • 米カルマ社はクルマ向けに開発した電池をクルマより1~2年早くスマートフォン向けに出荷する

クルマ向け

関連企業/研究所

全樹脂電池

APB(All Polymer Batteryの略名で造語)と呼び、部品点数が少なくて済むバイポーラ積層型のリチウムイオン電池で正負極や電解質といったリチウムイオン電池を構成する主要部材をすべて樹脂化したものとなります。

全樹脂電池はリチウムイオン電池と比べて下記のメリットがあります。

  • 安全性が非常に高い(短絡が起きても抵抗の大きな樹脂により一気に大電流が流れない)
  • 製造コストが低い(製造プロセスがシンプルで工程数は約半分、設備投資の負担も軽く量産時の大幅なコストが可能)
  • エネルギー密度が高く、2倍以上の電池容量を実現できる

慶應義塾大学特任教授の堀江英明氏(元 日産リーフの電池開発者)と三洋化成工業㈱が共同開発している。

主な用途

定置用大型蓄電池(太陽光などで発電した電気を貯めておくなど)

実用化

2021年春までに生産設備の導入を終え、来秋をメドに電池モジュール製品の商業出荷を開始予定

関連企業/研究所

半固体電池

電極にセラミックスを用いつつ電解液を採用したのが半固体電池となります。
高温実装対応と高出力・放電持続性を兼ね備えていることが特徴です。

主な用途

ウェアブル端末やIoT端末向け
家庭用蓄電池

実用化

日本ガイシが2020年9月にチップ型セラミックス二次電池「EnerCera(エナセラ)」の量産開始
京セラが2020年1月に家庭用蓄電池用のエネレッツァの販売を開始

関連企業/研究所

リチウム空気電池

空気中の酸素(正極活性物)とリチウム金属(負極活性物)が化学反応することで電力を生成する。
これまでのリチウムイオン電池は電池内に正極活性物と負極活性物を備える必要があるが、正極活性物は大気中の酸素を使用することから電池内をほぼ負極活性物が占めることができるため、コスト削減のほか、発生するエネルギー密度の大幅増につながり、その重量あたりのエネルギー密度はリチウムイオン電池と比べて5倍以上になる。

用途

実用化

2025年頃の実用化を目指す

関連企業/研究所

  • NIMS-SoftBank先端技術開発センター(NISMとソフトバンク)

アルミニウム空気電池

空気中の酸素(正極活性物)とアルミニウム(負極活性物)が化学反応することで電力を生成する。
リチウム空気電池の理論容量には及ばないが、安全性が高い点や資源的に豊富で安価という点ではアルミニウムに軍配が上がる。

かねてからアルミニウム空気電池を研究していた冨士色素が、2013年に世界で初めての二次電池化に成功。今回、開発されたのが全固体型のアルミニウム空気二次電池となる。
負極にアルミニウム、空気極(正極)には炭素やチタン系などの材料を使用。電解質にはイオン液体に類似した深共晶溶媒を用い、かつ最適な添加剤を複合化させることで電解質の固体化に成功した。

関連企業/研究所

グラフェン電池

グラフェンをアノードとカソードに採用したリチウムイオン電池である。
リチウムイオン電池の基本原理と典型的な材料

グラフェンは、炭素原子が六角形構造に並んだシートで、2004年にマンチェスター大学で発見された。グラフェンは強くて軽く、表面積が大きく、熱伝導にも電気伝導にも優れている。

テスラは電気自動車に使用している。

  • 発電と蓄電を同時に行える。
  • バッテリー容量が大きくできる。(リチウムイオン比で45%多い)
  • 充電時間が短い。(満充電まで30分)

実用化

  • テスラが電気自動車に使用している
  • モバイルバッテリー「Flash」(パナソニック製リチウムポリマーグラフェンコンポジットバッテリーセルを採用)
  • スマホ搭載には2021年頃の実用化を目指す

関連企業/研究所

  • Samsung
  • 大邱慶北科学技術院
  • テスラ
  • パナソニック

不燃性電解液リチウムイオン電池

広く普及しているリチウムイオン電池は一般的に可燃性の有機電解液を用いており、これが火災事故の主たる原因となっている。
この電解液を不燃性にしたリチウムイオン電池が開発されている。

電解液に不燃性のイオン液体を用いたリチウムイオン電池

ナトリウムイオン電池(ソディウム・イオン電池)

レアメタルであるリチウムに代わりにナトリウムに置き換えたもの。
リチウムとナトリウムは元素の周期表で隣にある元素で、性質が非常に似ています。ナトリウムは地殻の2.8%を占めるほど豊富、海水にも含まれていて低コストで入手できます。
スマホの充電では、リチウムイオン電池が30分かかるところ、ナトリウムイオン電池なら5分で終わるぐらい速くできます。

バイポーラ型鉛蓄電池

バイポーラ構造を持った鉛蓄電池で材料コストの低減に加えて、体積あたりの容量の向上によりエネルギー密度を従来の鉛蓄電池比で約2倍に高めることでリチウムイオン電池に匹敵する充放電特性を持ち、消費電力あたりの単価は50%以下となった。

バイポーラ型鉛蓄電池には以下のような利点があります。

  • 寿命4500サイクル(15年)
  • 体積エネルギー密度:従来の電力貯蔵用鉛蓄電池の約1.5倍
  • 重量エネルギー密度:従来の電力貯蔵用鉛蓄電池の約2倍
  • 電池を複数組み合わせることにより、メガワット級までの蓄電池容量に対応
  • 上位装置との通信可能なバッテリー管理ユニットを実装した電池パックで提供
  • 電力貯蔵量リチウムイオン電池比でトータルコスト1/2以下

主な用途

定置用蓄電池

実用化

2021年度中にはサンプル出荷予定、2022年度から量産・製品出荷される予定

関連企業/研究所

  • 古河電工と古河電池

バインド電池

CONNEXX SYSTEMS(コネックス・システムズ)社が開発している鉛蓄電池とリチウムイオン電池のハイブリッド技術「BIND Battery」
リチウムイオン電池の特徴である高エネルギー密度と長サイクル特性、鉛蓄電池の特徴である耐過充電特性と低温特性を兼ね備えた蓄電システム。

バインド電池は-30℃でも放電可能という優れた低温特性を有しており、氷点下でも設置・運用することが可能です。また、過充電時においてリチウムイオン電池は急速に発熱し、発火・爆発する恐れがありますが、その熱を鉛電池が吸収解消するようになっており過充電時の安全性が本質的に確保されています。

主な用途

定置用蓄電池(非常用小型/家庭用/産業用)

実用化

実用化されて販売している

関連企業/研究所

水系リチウムイオン電池

電解液の溶媒に水を使用している電池で、可燃性の溶媒を使用しないため安全性が向上しています。マイナス30℃の極地でも充放電が可能です。

用途

実用化

2020年代の実用化を目指す

関連企業/研究所

用語

定置用蓄電池自動車や産業機器などのバッテリーのこと
定置用蓄電池は、昨今の大規模災害の頻発による非常用電源確保ニーズの高まりを受けて、需要が増大している。
鉛蓄電池LiBの高性能化が進む前の定置用蓄電池として用いられていた。
今でも鉛蓄電池が占める割合が圧倒的に大きいのだが、LiBの高性能化とコストダウンの進展に伴い、いずれは置き換えが進んで主役の座を譲る存在というイメージが強い。
重量エネルギー密度リチウムイオン電池は200[Wh/kg]程度
サイクル寿命
放電電圧
充電効率


電池.txt · 最終更新: 2020/11/25 02:22 by yajuadmin