シリーズ GSC 低炭素・循環型社会を先導する GSC 低炭素社会に貢献する電気自動車の普及と それを支える Li 二次電池技術 IKEYA Tomohiko 池谷知彦 （財）電力中央研究所 材料科学研究所 先進機能材料領域リーダ 地球温暖化対策は喫緊の課題であり，低炭素社会の実現が求められている。運輸部門の二酸化炭素排出抑制に は電気自動車（EV）普及が有効であるが，一充電走行距離が短いなどの欠点があり普及は進んでいない。しか し，リチウムイオン電池の高性能化により，一部で EV の市販が始まった。低炭素社会実現に向けた，EV 普及 やそれを支える二次電池技術の現状，課題を紹介した。 ＧＳＣ 1 は じ め に 2 電気自動車の普及に向けて 最近，世界中のあちらこちらから，大型のハリケーン， EV は，18 世紀に内燃機関自動車（例えば，ガソリン自 洪水や干ばつ，極端な暑さ・寒さなどの地球規模での環境 動車など）と同じ頃に誕生した。エジソンは直流電力を利 変動を思わせる報告が舞い込むと，地球温暖化の影響かと 用する電気製品として，ニッケル鉄電池を搭載した EV を 懸念される。しかし，地球温暖化の主たる原因とされる二 普及させようとした。その当時は，ガソリン自動車は，始 酸化炭素（CO 2）排出量の削減は遅々として進んでいない 動時に車両先頭部のクランクシャフトを回して，エンジン のが現状である。皮肉なことに 2009 年の経済不況を受け の回転始動が必要であり，女性をはじめとして不便であっ て，CO 2 排出量は一時的に減ったが，その後，また増加 た。そのため，当時は，走行距離にあまり差がなく，加速 に向かっている。次の世代に，地球温暖化問題を禍根とし 性能では勝る EV の方が，人気が高かった。しかし，皮肉 て残さないためにも，早期の対策行動が必要である。 なことに，ガソリン自動車は二次電池の性能向上によりス 電力中央研究所では，低炭素なエネルギーを，積極的に ターターモータが備えられ，誰にでも始動が簡単になり， 高い効率で利用する電化シフトによる低炭素社会の実現を 一般に広く普及し，EV は衰退した 2）。 提案している 1）。低炭素エネルギーからなる電力を利用し 日本では，戦争直後の石油不足により，EV が見直さ て，エネルギー安全保障を確保しつつ，地球環境に配慮し れ，航空技術を活用して，3 千台以上が生産され，国内保 た低炭素社会を実現することを意味する。具体的には，低 有車輛台数の 3% 以上にまで至った。しかし，朝鮮戦争の 炭素電源である原子力発電，再生可能エネルギーである太 勃発で石油が流通するようになり，EV はガソリン自動車 陽光発電（PV）や風力発電（WF） ，水力発電，さらに に席巻された。1970 年代のオイルショックを受け，脱石 は，コンバインドサイクル等の高効率火力発電などの，よ 油から EV 開発が注目された。しかし，ガソリン自動車の り低炭素な電力を供給する。一方，民生部門では，ヒート エンジン効率向上，燃費改善で，EV の機運は衰退した。 ポンプをはじめとする高効率な電気・電力機器を利用し， 1990 年代には，大気汚染・環境問題に合わせて，湾岸戦 運輸部門では電気自動車（EV）への代替や鉄道の電化を 争を機に，エネルギー多様化の観点から，EV 開発が，再 進める。化石燃料の燃焼利用から電化シフトにより CO 2 度注目された。しかし，一充電走行距離が短い，充電時間 排出量を削減する。電源のさらなる低炭素化促進と，より が長いなどの短所から嫌われた。EV に代わって，水素を 高効率電力・電気利用とを合わせることで，相乗的に，一 利用した燃料電池自動車の開発に注目は移り，燃料電池シ 層の排出削減が期待できる。ただ，原子力発電の利用で ステム，水素タンクおよび車両の開発が進められた。しか は，まず安全性・信頼性の確保が不可欠であることは言う し，2006 年頃からは，地球温暖化が世界中で大きな問題 までもない。 として取り上げられ，次世代自動車の早期実用化が大いに 再生可能エネルギーである PV や WF は，自然任せに 期待されるようになった。燃料電池システムは，効率，耐 発電するため，電力系統で利用するには，その安定化が重 久性，コスト，さらには，水素インフラ整備に課題があ 要となる。そのためには発電に合わせた利用者の積極的な り，早期実用化には多くの課題があることが認識された。 消費や蓄電システムを活用した制御も必要となる。 そのため，高性能なリチウム電池を搭載した EV の実用化 378 化学と教育59-7＿02シリーズGSC_池谷.indd 378 化学と教育 59 巻 7 号（2011 年） 2011/07/06 14:15:47 ―持続可能な社会を目指す化学技術の過去・現在・未来― シリーズ GSC が注目されるようになった。携帯電話などの携帯機器の普 ル，駐車場での換気扇の消費電力，冷房も減り，車両だけ 及により，リチウム電池の高性能化が大きく進展し，加え ではなく都市でのエネルギー消費を減らすことができる。 て電力会社や自治体による急速充電インフラ整備も進み， 騒音も減り，都市作りでの社会インフラ整備に必要な投資 EV の本格的普及に一歩踏み出した。 を削減できる 4）。 現在，市販されている EV の三菱自動車“iMiEV”や日 産“LEAF”は，搭載電池容量の制限やコスト制約から， 一充電走行距離は，160 km 程度に限られている。実際の 走行では，冷暖房やデフロスター（曇り止め）などによる エネルギー消費で，市街地走行も加わり，走行可能な距離 は 70% 以下まで短くなる。極端な場合，渋滞に巻き込ま れると，冷暖房の利用だけで走行できなくなる。また，高 速走行になると，空気抵抗が速度の二乗で大きくなるた め，走行効率の良い EV では，走行時の空気抵抗の影響が 大きくなり，時速 100 km で，160 km が 100 km 以下まで 図 1 各種機関による車両の走行距離あたりの二酸化炭素排出 量（乗用車ベースで評価）。 発電時の CO 2 排出原単位が 0.42 g─CO 2／kWh から 0.32 g─CO 2／ kWh への改善時を試算（参考文献（3）を基に試算） 。 低下する。 EV の走行距離 100 km は，ガソリン自動車では，燃料 タンクの警告灯が点滅し，ガソリンスタンドを探さなくて はならない状況である。EV 走行では，計画的な走行ルー ト設定と，適宜，充電するスケジュール設定が必要とな る。チャデモ協議会（自動車メーカ＋東京電力を中心とし 輪：Well to Wheel）の一次エネルギー消費換算で，2.7 た急速充電インフラの協議会）で，急速充電器の規格を作 MJ／km か ら 0.94 MJ／km の 1／3 に， 走 行 距 離 あ た り の り，設置要件の情報共有化を進め，設置台数の拡大を進め CO 2 排出量でも 193 g─CO 2／km から 49 g─CO 2／km の 1／4 ている。また，当所と電力 7 社では，EV 等用普通充電設 まで削減できる（図 1）。利用する電力の単位電気量あた 備の設置要件を取りまとめたのに続いて（図 2） ，経済産業 りの CO 2 排出量が，CO 2 排出のない太陽発電などを加え 省と国土交通省とで，EV 用普通充電インフラガイドライ て，さらに減少すれば，走行時の CO 2 排出量はさらに減 ンが発表されている 5,6）。充電用コンセントの設置には専用 る。また，Li 二次電池の技術開発も進み，一充電走行距 の漏電ブレーカや照明を付けること，延長ケーブルは使わ 離が延伸され，急速充電も対応可能となった。EV は，一 ないこと，検定済みの電力メータで軽量すれば，電気料金 般家庭や事務所の普通の 100 V や 200 V コンセントで充電 を徴収できる（電力の再販にはあたらない） ，などが示され でき，時間帯別料金制度等を利用すれば，夜間時間帯の安 ている。また，従来の回転式のコンセントではなく新規の い電気料金で充電ができる。燃料としての電気代は，1／4 引掛け式のコンセントを使うように勧めている（従来の回 から 1／8 の低コストでの運用になる。また，EV 自体で 転式コンセントでは，回転接続部が腐食等で抵抗が大きく は，化石エネルギー燃焼がないため，CO 2 をはじめとして なり，1 kW 以上の大きな電力を連続的に流すと，熱を持つ 3） 排気ガスはなく，排熱もない。都市内の車両を EV に置き 可能性があるとして，利用を避けるように解説している）。 換えれば，CO 2 ばかりではなく，NO X，SO X，PM（粒子 当所では，国土交通省の車両走行データ（目的別）を基 状物質）の排気もなくなり，トンネルや駐車場での換気が に，1 日の地域を走行する全車両の走行を想定して，EV 不要になる。さらに，排熱がないことから都市ヒートアイ への代替時には，必要となる急速充電スタンドの配置や設 ランドが緩和され，夏季の冷房需要も抑えられる。トンネ 置箇所数，EV への電池搭載容量や走行電気消費比率（電 ＧＳＣ EV は，ガソリン自動車に比べて，WtoW（油田から車 図 2 EV 等用普通充電設備の設置要件の取りまとめ 5,6）。 化学と教育 59 巻 7 号（2011 年） 化学と教育59-7＿02シリーズGSC_池谷.indd 379 379 2011/07/06 14:15:47 シリーズ GSC 低炭素・循環型社会を先導する GSC 費）などを評価できるツールを開発している 7）。設置必要 素早く進行すれば，大きな電流を取り出すことができる 数は，電池容量と電費（冷暖房利用を含む）に大きく依存 が，実際には，銅表面を水素が覆い，亜鉛周辺に溶け出し することが分かった。目的地での 100／200 V コンセントを た亜鉛イオンが滞留して，反応は停滞する。省電力消費の 利用した短時間の普通充電による補充電はかなり効果的で LED 照明なら点灯するが，大きな電力を必要とするモー あることも明らかになった。300 万人規模の地方都市で タは回らない。 は，17 箇所の急速充電スタンドがあれば，8 kWh の搭載 現在，利用されている二次電池は，鉛蓄電池，ニッケル 量でも 35 km／日の平均的な走行距離を十分に走れること 系電池（ニッケル・亜鉛，ニッケル・鉄，ニッケル・カド も分かった。また，冷暖房やデフロスターの電力消費も加 ミウム，ニッケル・水素），金属リチウム電池やリチウム えて，車両の電費向上により，搭載電池容量が 20 kWh 以 イオン電池等がある。放電しても充電した時に元に戻り， 下でも急速充電スタンドは不要であることも分かった 7）。 繰り返し充放電できれば，耐久性の優れた電池と言える。 EV は，基本的には夜間時間帯に住居や事務所で普通充 二次電池は，充放電反応で大まかに分けて，「溶解・析出 電をする。また，目的地や休憩などでの駐車中に，コンセ 反応」と「インターカレーション」の二つのタイプがあ ントが整備されていれば，仕事先での打ち合わせや昼食・ る。鉛蓄電池や，負極に亜鉛，鉄，カドミウムを利用する 休憩時間に補充電ができる。ガソリン自動車のように，ガ ニッケル系電池は，溶解析出反応で放電・充電する。充電 ソリンスタンドに行かなくても，充電はできるため，従来 の析出反応時に，電極形状が元に戻らず，針状結晶（デン のガソリンスタンドのビジネスモデルとは異なる。急速と ドライト）を形成すると，成長してセパレータを貫通し， 普通充電の設備整備を合わせて，レストランやスーパー， 短絡を起こすこともある（図 3（a））。一方，ニッケル・ コンビニなどでの，お客さんへのサービス提供などの新し 水素（水素化物金属）電池やリチウムイオン電池では，水 いビジネスモデルが考えられる。 素イオンやリチウムイオンが，正負極材料の結晶構造の空 間に入り込む，インターカレーション反応であるため，結 3 Li 二次電池への期待 晶構造の変形はない。例えば，リチウムイオン電池の負極 電池には，一次電池，二次電池，太陽電池，燃料電池が の炭素極では，リチウムイオンが層状構造の間に入り込 ある（表 1） 。正負の電極材料が化学反応を伴って放電し， み，正極のリチウム酸化物などでは，結晶構造での空間に ＧＳＣ 充電できないのが“一次電池” ，充電できるのが“二次電 入り込む（図 3（b））。そのため，充電放電を繰り返して 池”である。一方，太陽電池（Photovoltaic Cell）と燃料 も，結晶構造の大きな変形はなく，長い耐久性が期待でき 電池（Fuel Cell）は，“Cell”を電池と訳したために電池 る。 に分類されたとも言われる。太陽電池は半導体での発電で あり，燃料電池は，化学反応による発電である。むしろ， 太陽光発電，燃料電池発電システムとすべきである。 一次電池では，電極材料が化学反応により消費して放電 する。例えば，レモン電池（銅／レモン／亜鉛）では，負極 の亜鉛がレモンに溶け出し，正極の銅で水溶液から水素が 発生して放電する。電池は，異種金属（材料）と電解液の 組合せで構成される。電圧は正負極の金属（材料）の組合 せにより決まる。ガルバニ電池（Zn／Cu）は 1.1 V，鉛蓄 電池（Pb／PbO 2）は 2.1 V，レモン電池は，水素（銅）と 亜鉛の組合せで約 0.7 V 程度である。一方，電流は，反応 速度に依存するため，亜鉛の溶出と銅表面での水素発生が 表 1 電池の分類。 図 3 二次電池反応の模式図。 （a）溶解・析出反応（金属リチウムのデンドライド形成） 。 （b）インターカレーション反応（リチウムイオン，炭素極） 。 380 化学と教育59-7＿02シリーズGSC_池谷.indd 380 化学と教育 59 巻 7 号（2011 年） 2011/07/06 14:15:49 ―持続可能な社会を目指す化学技術の過去・現在・未来― シリーズ GSC リチウム電池は，ニッケル系電池の作動電圧が約 1.2 V フサイクル寿命は，これを要因とする寿命である。満充電 に対して，3 V 以上の高い電圧のため，高いエネルギー密 の高電圧状態は，正負極で電解液を電気分解している状態 度で，軽量・コンパクト化が期待できる。電解液には，水 にある。 溶液が使えず，有機溶媒を利用している。そのため，水の ハイブリッド自動車では，満充電・完全放電状態を避 電気分解の競合反応がないため，副反応がなく，高い充電 け，真ん中を中心にある程度の幅で，充電・放電すること 放電効率で運用できる。しかし，逆に有機電解液を利用し で，長い耐久性を保持している。一方，プラグインハイブ ているため，内部・外部短絡が起きると，内部抵抗で内部 リッド自動車（PHV）では，走行開始時は，EV 走行をす 加熱して，有機溶媒が分解，気化し，破裂や燃焼に至るこ るために，満充電にする必要があり，電池劣化の促進が懸 ともある。高安全性の確保のため，難燃性の電解液，さら 念される。電池劣化の観点からみれば，EV や PHV は走 には固体電解質が研究されている 8）。 行の直前に充電し，頻繁に利用することが大切である。ま EV に搭載する電池は，重量あたりのエネルギー密度が た，EV を電力貯蔵システムとして利用する V2G（自動車 大きければ，多くの電池を搭載でき，一充電走行距離を延 を蓄電システムとして利用）が提案されているが，本来の ばせる。また，車両の加速には，大きな出力性能も必要と 使用目的以外で，満充電，放電を繰り返すことで，劣化を される。リチウム電池は，高いエネルギー密度が期待で 少しずつ進めることにもなる。EV として頻繁に利用する き，走行距離を延ばせる。しかし，有機電解液を利用する ことが大切である。 ため，拡散速度が水溶液中に比べて遅くなる。そのため， 4 ま と め 印刷技術を利用して，拡散距離を短くするために電極を薄 地球温暖化に向けた CO 2 排出量削減には，低炭素な電 オン電池は，効率が高く，高いエネルギー密度，高出力特 力供給と高効率な電気利用が重要である。安定した高効率 性，長いサイクル寿命が期待できる。しかし，現状のエネ 火力や原子力発電と不安定な再生可能エネルギーとを協調 ルギー密度は約 100 Wh／kg で，EV 乗用車で 200 km 程度 して，安定した電力供給のためには，電力貯蔵である二次 し か 走 行 で き な い。 エ ネ ル ギ ー 密 度 を 5 倍 以 上 の 500 電池技術は不可欠である。また，EV などの移動体の電化 Wh／kg 以上まで向上できれば，現状のガソリン自動車と でも，二次電池は不可欠で，軽量・コンパクト化，高出 同等の距離を走行できる。経済産業省では，さらに，コス 力，高耐久性などの高性能化が期待される。二次電池は， トと出力性能を加えた「二次電池開発の将来に向けた提 将来の CO 2 排出量削減にとって，キーテクノロジーであ 言」を取りまとめている（図 4）。 るのは確かである。まずは，化石燃料から脱却した低 CO 2 9） ＧＳＣ くして，さらに電極の大面積化を進めている。リチウムイ の自動車である EV を広く普及することが大切である。二 次電池による蓄電技術を活用し，環境負荷低減や自然災害 対策を念頭にした，エネルギーインフラ作り，社会システ ム構築への寄与を考えたい。 最後に，東日本大震災で被災された方々，ならびに，福島 原発でご苦労されている方々にお見舞いを申し上げたい。 参考文献 1） 電気のチカラ， （財）電力中央研究所 編， （株）エネルギーフォーラム 図 4 将来の EV 用二次電池の開発シナリオ。 縦軸が，加速性能を示す出力密度，横軸が一充電走行距離を示 すエネルギー密度 8）。 現在のリチウムイオン電池の耐久性には，充電放電を繰 り返す「サイクル寿命」と，製造後の時間にあたる「ライ フサイクル寿命」とがある。サイクル寿命は，充電／放電 に伴い，正負極の電極材料の結晶構造の変形や副生成物の 生成を要因とする劣化による寿命である。リチウムイオン 電池は，充電放電をしなくても，高電圧や高い環境温度に 社，2010． 2） 清水健一，エンジニアリング，2005，7，p. 14．池谷知彦，エンジニアリ ング，2005，7，p. 25 など． 3）（財）日本自動車研究所，JHFC 総合効率検討結果報告書，2006． 4） 池谷知彦，電中研報告書，Q08030，2009． 5） 岩坪哲四郎，電中研報告，M09006，2010． 6） 経済産業省，電気自動車・プラグインハイブリッド自動車のための充 電設備設置にあたってのガイドブック． http://www.meti.go.jp/press/20101207002/20101207002.html（2011 年２月現在） 7） 日渡良爾，電中研研究報告，L09009，2010． 8） 小久見善八，リチウム二次電池，平成 20 年 3 月オーム社，2008． 9） 経済産業省・新世代自動車の基礎となる次世代電池技術に関する研 究会，次世代自動車用電池の将来に対する提言，2006 年 8 月． ［連絡先］240─0196 横須賀市長坂 2─6─1（勤務先）。 放置されると，有機電解液の分解が進み，劣化する。ライ 化学と教育 59 巻 7 号（2011 年） 化学と教育59-7＿02シリーズGSC_池谷.indd 381 381 2011/07/06 14:15:50
© Copyright 2024 ExpyDoc
