Energy Storage
エネルギー保存システム Stepwest Corp http://www.stepwestcorp.com Issue Date: February 2014 Stepwest Corp Feb. 2014 エネルギー保存システム 目次 1. エグゼクティブサマリー ........................................... 7 2. はじめに ........................................................ 10 2.1. エネルギーとエネルギー貯蔵 ......................................... 10 2.2. アプリケーション別のエネルギー貯蔵の概要 ........................... 12 2.2.1. 定置用エネルギー貯蔵（発電所と送配電網向け） .................... 12 2.2.2. 運輸向けエネルギー貯蔵 .......................................... 16 2.2.3. モバイル機器向けエネルギー貯蔵 .................................. 17 3. 稼働中の各種のエネルギー貯蔵方式について ......................... 19 3.1. 各方式の概略と比較 ................................................ 19 3.2. 電気化学的貯蔵（二次電池） ......................................... 20 3.2.1. 二次電池の概略 .................................................. 20 3.2.2. 二次電池の各方式の比較 .......................................... 25 3.2.3. リチウムイオン二次電池 .......................................... 26 3.2.3.1.リチウムイオン二次電池の一般的特徴 .................................. 26 3.2.3.2.リチウムイオン二次電池の動作原理について ............................ 27 3.2.3.3.リチウムイオン二次電池の各部材について .............................. 28 3.2.3.4.コバルト系リチウムイオン二次電池 .................................... 35 3.2.3.5.マンガン酸リチウムイオン二次電池 .................................... 36 3.2.3.6.リン酸鉄リチウムイオン二次電池(LFP) ................................. 38 3.2.3.7.３元系リチウムイオン二次電池 ........................................ 39 3.2.3.8.チタン酸リチウムイオン二次電池(LTO) ................................. 39 3.2.3.9.リチウムイオンポリマー二次電池 ...................................... 42 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. 3.2.7. ニッケル水素二次電池 ............................................ 43 鉛蓄電池 ........................................................ 45 フロー電池 ...................................................... 47 アルカリ金属・硫黄電池 .......................................... 51 3.2.7.1.ナトリウム・硫黄(NaS)電池 ........................................... 51 3.3. 化学的エネルギー貯蔵............................................... 54 3.3.1. 水素を用いたエネルギー貯蔵 ...................................... 54 3.4. 電気的エネルギー貯蔵(キャパシタ) ................................... 55 3.4.1. 電気二重層キャパシタ ............................................ 55 3.4.2. リチウムイオンキャパシタ ........................................ 57 3.5. 力学的エネルギー貯蔵............................................... 59 3.5.1. 揚水発電 ........................................................ 59 3.5.2. 圧縮空気エネルギー貯蔵 (CAES) ................................... 64 3.5.3. フライホイール .................................................. 67 3.5.4. スキーリフト方式のエネルギー貯蔵 ................................ 71 3.6. 熱的エネルギー貯蔵 ................................................ 72 Stepwest Corp Feb. 2014 2 エネルギー保存システム 4. 「次世代二次電池」(2020 年量産ターゲット) ........................ 74 4.1. 次世代リチウムイオン二次電池 ....................................... 74 4.1.1. 次世代向け負極材料 .............................................. 74 4.1.1.1.シリコンやスズの合金を負極材料に使う方法 ............................ 75 4.1.1.2.カーボン系を継続して負極材料に使う方法 .............................. 77 4.1.2. 次世代向け正極材料 .............................................. 78 4.1.2.1.固溶体系 ............................................................ 78 4.1.2.2.リン酸塩系 .......................................................... 79 4.1.2.3.フッ化リン酸塩系 .................................................... 79 4.1.2.4.三元系＋リン酸鉄リチウムオン二次電池 ................................ 79 4.2. 全固体電池 ........................................................ 81 4.2.1. バルク型全固体電池 .............................................. 81 4.2.2. 薄膜型全固体電池 ................................................ 83 4.3. 超伝導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) .................................... 84 5. 「革新二次電池」(2030 年量産ターゲット) .......................... 85 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 金属空気電池 ...................................................... 86 ナトリウムイオン電池............................................... 88 リチウム・硫黄(Li-S)フロー電池 ..................................... 89 リチウム・硫黄(Li-S)電池 ........................................... 90 ナノワイヤー電池（シリコン負極） ................................... 91 多価カチオン電池 .................................................. 91 6. リチウムイオン二次電池の安全性と対策 ............................. 93 6.1. リチウムイオン二次電池が不安定な理由 ............................... 93 6.2. 安全対策の概要 .................................................... 95 6.3. バッテリー管理システム............................................. 95 6.4. 各部材と安全性 .................................................... 96 6.4.1. 正極材料と安全性 ................................................ 96 6.4.2. 負極材料と安全性 ................................................ 96 6.4.3. セパレーター材料と安全性 ........................................ 97 6.5. 電池の安全規格 .................................................... 97 7. エネルギー貯蔵システムのマーケット ............................... 98 7.1. 二次電池マーケットの動向 ........................................... 98 7.2. 各アプリケーションの特徴 .......................................... 100 7.2.1. 各マーケットの特徴 ............................................. 100 7.2.2. 地域別のバッテリーメーカー売り上げ占有率動向 ................... 101 7.3. 各二次電池の主なプレイヤー ........................................ 101 7.4. 自動車用マーケットの動向 .......................................... 102 7.4.1. 自動車用マーケットの概要 ....................................... 102 Stepwest Corp Feb. 2014 3 エネルギー保存システム 7.4.2. 自動車メーカーとバッテリメーカーの相関図 ....................... 104 7.4.3. 自動車用二次電池の概略と必要とされる性能・コスト・安全性他 ..... 106 7.4.4. 各電気自動車メーカーが用いているバッテリーの種類 ............... 107 7.4.5. 主な自動車向け二次電池製造メーカー ............................. 109 7.4.6. 自動車向け二次電池のトピックス- テスラの動向- .................. 111 7.5. 定置用マーケットの動向............................................ 112 7.5.1. 定置用マーケットの概要 ......................................... 112 7.5.2. 定置用の各セグメントの動向 ..................................... 117 7.6. 携帯デバイス用マーケットの動向 .................................... 118 7.6.1. 携帯デバイス用マーケットの概要 ................................. 118 7.6.2. 携帯デバイス向けの今後の動向予想 ............................... 119 8. エネルギー貯蔵システムへの政策状況 .............................. 120 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. て 8.6. 政策支援の目的 ................................................... 120 北米（アメリカ）の政策・補助金について ............................ 120 米国の連邦レベルと州レベルの政策・補助金等の内容 .................. 121 米国に於けるエネルギー貯蔵関連研究への主要な補助金 ................ 123 FERC Order 719/745（ディマンドレスポンスとアンシラリーサービス）につい 124 加州に於ける電力会社への蓄電の義務化について ...................... 126 9. 添付資料-A「量産出荷中のメーカー」 .............................. 128 9.1. GS ユアサ系列 ..................................................... 128 9.1.1. GS ユアサ....................................................... 128 9.1.2. リチウムエナジージャパン（LEJ） ................................ 128 9.1.3. ブルーエナジー ................................................. 129 9.2. パナソニック系列 ................................................. 129 9.2.1. プライムアース EV エナジー株式会社 .............................. 129 9.2.2. パナソニック／エナジー社（旧松下電池工業） ..................... 130 9.2.3. 科力美（中国）汽車動力電池 ..................................... 131 9.3. NEC 系列 .......................................................... 131 9.3.1. オートモーティブエナジーサプライ（AESC） ....................... 131 9.3.2. NEC エナジーデバイス株式会社 .................................... 132 9.3.3. NEC 株式会社 .................................................... 132 9.4. 日立系列 ......................................................... 133 9.4.1. 日立製作所 ..................................................... 133 9.4.2. 日立オートモティブシステムズ ................................... 133 9.4.3. 日立ビークルエナジー ........................................... 134 9.4.4. 新神戸電機株式会社 ............................................. 135 9.5. 三菱重工 ......................................................... 135 Stepwest Corp Feb. 2014 4 エネルギー保存システム 9.6. 東芝 ............................................................. 135 9.7. 住友電気工業 ..................................................... 136 9.8. ＴＤＫ/香港アンプレックステクノロジー（ＡＴＬ） ................... 136 9.9. JM エナジー株式会社 ............................................... 137 9.10. エリーパワー株式会社 ............................................ 138 9.11. 古河電池株式会社 ................................................ 138 9.12. ソニー 株式会社 ................................................. 138 9.13. FDK 株式会社 .................................................... 139 9.14. 日本ケミコン .................................................... 140 9.15. 伊藤忠商事 ...................................................... 141 9.16. 宇部興産 ........................................................ 141 9.17. 住友金属鉱山 .................................................... 141 9.18. 韓国のメーカー .................................................. 142 9.18.1. 韓国 LG Chem 社(LG 化学)........................................ 142 9.18.2. 韓国 Samsung SDI 社 ............................................ 143 9.18.3. 韓国 Samsung SDI 社 ............................................ 143 9.19. 中国のメーカー .................................................. 144 9.19.1. BYD 社（比亜迪）............................................... 144 9.19.2. 中国天津力神電池 Tianjin Lishen 社 ............................. 144 9.20. 米国 ............................................................ 144 9.20.1. Johnson Controls 社............................................ 144 9.20.2. Viridity Energy 社............................................. 145 9.20.3. A123 System 社 ................................................ 145 10. 添付資料-B : 「米国に於けるバッテリー関連ベンチャー企業」 ...... 147 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.9. 10.10. 10.11. 10.12. 10.13. 10.14. 10.15. Ambri: (旧社名：Liquid Metal Battery) ............................ 147 Aquion Energy ................................................... 148 Amprius ......................................................... 149 ActaCell ........................................................ 150 Atieva .......................................................... 151 Alveo Energy .................................................... 151 Imergy Power Systems, Inc. （旧社名：Deeya Energy） .............. 152 EnerVault ....................................................... 153 Eos Energy Storage .............................................. 154 GELI: (Growing Energy Lab Inc.) ................................ 154 Imprint Energy ................................................. 155 Leyden Energy .................................................. 156 Pellion Technologies, Inc. ..................................... 157 Prieto Battery ................................................. 158 Primus Power ................................................... 158 Stepwest Corp Feb. 2014 5 エネルギー保存システム 10.16. 10.17. 10.18. 10.19. 10.20. 10.21. 10.22. 10.23. QuantumScape ................................................... 159 SolidEnergy .................................................... 160 Sila Nanotechnologies .......................................... 161 Sion Power ..................................................... 162 Seeo ........................................................... 162 Sakti3 ......................................................... 163 Solid Power, LLC ............................................... 164 24M Technologies ............................................... 164 11. 添付資料-C : ARPA-E 蓄電関連補助金 ............................ 166 11.1. 2012 11.2. 11.3. 2012 Advanced Management and Protection of Energy-storage Devices (AMPED) 166 ARPA-E FUNDS REVOLUTIONARY STORAGE APPROACHES (RANGE) 2013 ....... 170 ARPA-E Second Open Call for Innovative Energy Technology Solutions 175 12. 添付資料-D : エネルギー保存(蓄電)関連の用語集 .................. 179 Stepwest Corp Feb. 2014 6 エネルギー保存システム 1. エグゼクティブサマリー 我々が生活し、産業活動を行う上で、天然ガス、石炭、石油、自然エネルギー等の一次エネルギ ーは無くてはならないものである。 また、これらの一次エネルギーを用いて発電される電力は、エネルギーの形態としては極めて柔 軟であり、幅広い用途で使われている。 これらのエネルギーや電力の貯蔵は、再生可能エネルギー発電の拡大や、電気自動車の拡大に伴 って、その用途と規模が急激に拡大し、世界的にニーズが大きくなっている。 本レポートでは、エネルギーや電力の貯蔵技術の動向、マーケット、政策、大小のプレイヤーに ついて記述する。 エネルギー貯蔵技術の進化と現在の状況 現代社会で一番需要の多いエネルギー貯蔵は「電力の貯蔵（以下「蓄電」） 」である。 蓄電には、電気化学エネルギーを用いる「二次電池」、力学的エネルギーを用いる「揚水発 電」や「フライホイール」、電気エネルギーを用いる「キャパシター」等が実用化されてい る。 それぞれの蓄電方式は、長所・短所があり、用途と目標によって使い分けられているが、 今後とも各種の方式が共存すると思われる。 各種の蓄電装置のう ち、「エネルギー密度 （容量密度）」が他の 蓄電装置よりも数倍 高い「リチウムイオ ン二次電池」が 2013 年の出荷ベースで 45% を占め（揚水発電を 除く）、今後とも色々 なマーケットで使用 が拡大すると思われ る。 「リチウムイオン二 次電池」が 1991 年に 始めて実用化されて から 2014 年で 23 年 になるが、エネルギ 図 1-1 二次電池の進化 ー密度が当初の 3 倍 (18650 セルのエネルギー密度の伸び) 以上(18650 セルで、 1991 年 : 88Wh/Kg→2013 年 : 230Wh/Kg)になるなど電池特性の改良は精力的に進められて いるが、更なる性能と安全性の向上が望まれている。 「リチウムイオン二次電池」が実用化されてからの 20 年間は、モバイル機器向けの利用が 多く、多くは「コバルトとリチウムの化合物」を正極に、「炭素（グラファイト＝黒鉛）」 を負極に使われてきた。 Stepwest Corp Feb. 2014 7 エネルギー保存システム しかし、この組合せは、安全性、入手性等の問題(*)があり、現在ではコバルトを使わない 「改良型」が主流となりつつある。（*:コバルトはレアメタルであり、大量に使用するには 価格面や供給面でリスクが大きい。またコバルトは高温時の安定性に問題がある。） これらの「改良型」は、正極材料、負極材料、電解質、セパレーター等を改良したもので あり、既に各社で量産・販売されている。 リチウムイオン二次電池は現在量産されている二次電池の中では「エネルギー密度」が高 いという利点はあるものの、「容量＝ワット時(Wh)」あたりの価格が高く大型化が難しい。 そのため、容積や重量に制約が少ない、即ちエネルギー密度が大事でない定置向けマーケ ット向けとしては、「レドックスフロー電池」、「ナトリウム-硫黄(NaS)電池」等の新しい方 式が実用化されはじめている。 次世代リチウムイオン二次電池 これらの「改良型リチウムイオン二次電池」を更に進化させた「次世代リチウムイオン二 次電池」の開発が、2020 年頃の量産化を目指して活発に行われている。 「次世代」のエネルギー密度の目標は、300Wh〜400Wh/Kg(18650 セル)である。 これらの「次世代」では、正極に固溶体系材料や 5V 系の素材を用いる、負極にシリコンや スズ系の合金を用いる、電解質を固体化する等で、電池容量の拡大と安全性の両立を図ろ うとしている。 革新型二次電池について 現行や改良型・次世代型のリチウムイオン二次電池の性能を大幅に向上させる事を狙った 「革新型（次々世代）二次電池」には様々な種類があり、各国の各研究機関やベンチャー 企業で、研究開発試作が進んでいる。 「革新型」のエネルギー密度の目標は、500Wh〜1,000Wh/Kg(18650 セル)である。 リチウムそのものがレアアースであり供給に不安があるため、レアアースをまったく使わ ない高性能で革新的なデバイスが望まれる。 「革新型二次電池」の候補として 2030 年頃の量産を期待されているものは、「ナトリウム イオン電池」「全固体電池」 「金属空気電池」等である。 但し、安全性・寿命・製造方法等の課題が多く、大規模な量産化にはまだ 10〜15 年程度の 期間が必要と思われる。 今後の予想される動向 これらの二次電池の流れを見ると、2020 年頃まではエネルギー密度〜300Wh/Kg を目標とす る現行の「改良型リチウムイオン二次電池」が、2020 年以降は、〜400Wh/Kg を目標とする 「次世代」が主体の時代と思われる。 2030 年に向かう中ではより高性能(500Wh/kg〜)で安価な「革新型（次々世代）二次電池」 が、開発、安全性確認、量産準備を終え、本格的に市場導入されると予想される。（エネル ギー密度はいずれも 18650 セルにおける予想数値である。バッテリーパックとした場合は、 10%〜20%程度下がる。 ） エネルギー貯蔵のマーケットについて エネルギー（電力）の貯蔵の主な用途は、(1)持ち運び（モバイル）機器向け(2)輸送機器 （自動車）向け(3)定置向けという「３つのマーケット」向けであり、ここ 20 年間のエネ ルギー貯蔵技術とニーズの進展に伴い、急速に拡大している。 Stepwest Corp Feb. 2014 8 エネルギー保存システム 世界市場は、2012 年度で 3.3 兆円程度であり、2020 年に 9.5 兆円まで成長することが見込 まれている1。成長率は年平均 8.9%程度と非常に堅調であり、中でも 45%のシェアを獲得し ているリチウムイオン二次電池は、現在携帯デバイス用に多く使用されている他、今後は 電気自動車や定置用等用途での使用も大きく期待されていることから、2020 年度までの成 長率は 12.9%と特に好調な伸びが予想されている。 モバイル機器向けの小型リチウムイオン電池の市場は 2012 年度で 1.4 兆円であり、技術が 一定レベル確立されていることもあり、今後は年 10.2%程度で成長すると予想されている。 近年中国や韓国などの新興国メーカーの参入が顕著であり、市場競争が非常に激しくなっ ている。 一方、大型リチウムイオン電池の市場に関しては、2012 年度はまだ 3,100 億円程度である が、開発余地がかなり大きいことから、今後年 21.3%の非常に高い割合で成長が見込まれて いる。 特に、今後電気自動車市場拡大に伴う需要が期待される自動車用二次電池や、大規模な導 入が見込まれる定置用二次電池においては、今後めざましい市場拡大が期待される。 エネルギー貯蔵システムの主なプレイヤーについて リチウムイオン電池が市場に投入されてまもない 2000 年の地域別市場シェアは、日本が 94％、韓国が 3％と、リチウムイオン電池の開発を進めてきた日本が圧倒的なシェアを誇っ ていた。 しかしながら、技術の確立とともに、サムソンＳＤＩなど韓国メーカーが台頭をはじめ、 2005 年度には日本はシェアを 72％にまで落とし、2010 年度には、日本が 42％、韓国が 39％と市場をほぼわけあう結果となった。 また中国等新興国の台頭もみられるようになってきており、今後はいかに品質を維持しつ つコスト削減ができるか、という点がシェア獲得の大きなポイントとなってくる。 一方で、自動車用二次電池では、研究開発途上であることもあり、現在(2013 年)は日本が ８割程度のシェアを有している。 ただし、電気自動車やハイブリッド車の本格的な普及により今後飛躍的な成長が期待され ることから、韓国や中国等の企業が本格的な参入のチャンスを狙っており、確実に市場競 争は激化していくものと見られる。 米国の状況 蓄電装置の開発・製造で大きな遅れをとった米国は、2009 年からのグリーンニューディー ル政策や再生可能エネルギー発電へのシフトにより、政策および補助金の両方で大きな力 を入れている。 また、米国の大手ベンチャーキャピタルも多額の資金を提供している。 米国では、現行のリチウムイオン電池で日本やアジアを追いかけるのではなく、発電効率 を一気に数十倍向上出来ると考えられる「次々世代（革新型）」に向かっての投資や研究が 多い。 但し、大きな税金をつぎこんだ ABC123 Systems 社の破綻や、資金調達の困難さ等の問題も 多い。 1 矢野経済研究所、富士経済等の調査による。 Stepwest Corp Feb. 2014 9 エネルギー保存システム 2. はじめに 2.1.エネルギーとエネルギー貯蔵 人類が生活し、産業活動を行う上で、各種のエネルギーは無くてはならない存在である。人類は、 一次エネルギーとしての「自然エネルギー（風、太陽、河川、潮力、海流）」と「化石エネルギ ー（石炭、石油、天然ガス）」を利用して来た。 たき火やろうそくや食料に使う「動植物等」も自然エネルギーの一つの形であると言える。化石 エネルギーはそもそも古代の太陽エネルギーを保存した物である。 人類は、これらの「一次エネルギー」を、燃料、光源、衣食住、移動、道具の作成のために用い るだけでなく、産業活動にも活用してきた。産業革命以降、人類が用いるエネルギーは拡大の一 途をたどっている。 また、二次エネルギーとしての「電力（電気）」も、19 世紀後半から始まった交流電力網と各種 交流電気機器の開発製造に伴って、人類の活動の源となっている。電力はエネルギーの形態とし ては極めて柔軟であり、その用途は極めて幅広い。一次エネルギーを用いた電力の生成は「発電」 と呼ばれ、各種の発電方式と機器が実用化されている。 また発電用としては、 「核分裂エネルギー（235 ウラン）」も先進国を中心に利用されている。 次ページに、米国に於ける 2011 年の「各種の一次エネルギー」と「二次エネルギー（＝電力） 」 2 の使用状況を示す。米国全体で 97.3 Quads の一次エネルギーが消費され、そのうち 39.2 Quads が発電用に消費されている。石油資源への依存は 35.3 Quads にものぼる。 化石エネルギー依存の低下、特に石油資源への依存の低下は米国の国策であり、自然エネルギー を用いた電力エネルギーへのシフトが図られている。 電力は、上記のように色々な用途に使われているが、その貯蔵（蓄電）は大規模には行われて来 なかった。化石燃料、自然エネルギー、原子力等を用いて発電された電力は、ほぼ全量が電力網 を用いて消費地に運ばれ、消費される。余った電力は原則捨てられる。 しかし、電力の貯蔵（蓄電）は(1)持ち運び機器用（携帯電話、ノートパソコン、デジカメ、工 作器具） 、(2)輸送機器用（自動車、電車、航空機、フォークリフト等） 、(3)定置用（送発電網の 安定用）という３つのマーケット向けに、その用途と規模が急激に拡大し、世界的にニーズが大 きくなっている。 2 Quads とは、1015 (quadrillion) BTU のこと。BTU は British Thermal Unit の略。 Stepwest Corp Feb. 2014 10 エネルギー保存システム 図 2-1 米国に於けるエネルギー消費状況(2011 年) （出典：ローレンスリバモア国立研究所のデータに Stepwest が日本語を追加） Stepwest Corp Feb. 2014 11 エネルギー保存システム 2.2.アプリケーション別のエネルギー貯蔵の概要 2.2.1. 定置用エネルギー貯蔵（発電所と送配電網向け） 送配電網（グリッド）に繋がる蓄電装置としては、ながらく「揚水型水力発電」が主流であり、 夜間と昼間の電力の平準化に使われてきた。 次ページの図は DoE の 2013 年 12 月のレポート3による、米国に於ける蓄電容量とその技術別内 訳である。米国では現在 24,600MW のエネルギー貯蔵能力があるが、揚水発電が 95%を占める他、 圧縮空気蓄電が 423MW(残り 5%の 35%)、蓄熱によるエネルギー保存が 431MW(残り 5%の 36%)、二 次電池（各種バッテリー）が 304MW(残り 5%の 26%)となっている。 しかし、近年の、「NaS 電池」や「リチウムイオン二次電池」を含む多様な蓄電装置が開発され、 グリッドに繋がりだした。その必要性とメリットは下記の通りである。 (1)自然エネルギーの安定化 地球温暖化防止のための二酸化炭素（CO2）削減策と して、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネル ギーの大量導入が望まれているが、自然まかせのと ころがある。 この様な出力が安定しない発電機を送電線に大量に つなぐと、その出力変動により送電網全体の周波数 や電圧の維持が難しくなり、電力を安定的に供給す ることができない。電力を一時的に蓄えることによ って、このような出力変動を電力貯蔵システムで吸 図 2-2 日本ガイシの NaS 電池 （同社ホームページより） 収し、安定化を図ることが可能となる。供給力が過剰なときは、電力貯蔵システムに余剰 を吸収させ、供給力が不足しているときは、蓄えられている電力を放出する。4, 5 周波数の変動を抑える技術をアンシラリー技術、そのようなサービスをアンシラリーサー ビス6という。 (2) 負荷平準化（ピークシフト） 需要家に蓄電池を設置し、需要の少ない夜 間を利用して予め充電しておく。そして昼 間の需給逼迫時には商用受電からの電力で はなく、蓄電池から放電した電力で機器を 動かす。これにより、商用電力の利用ピー クをシフトさせることができる。 時間帯や季節ごとの電力需要格差を縮小す ることを負荷平準化と言う。電気はつねに 図 2-3 米国ニューヨーク州にある 20MW のフ ライホイール蓄電施設（出典：DoE） 3 http://energy.gov/sites/prod/files/2013/12/f5/Grid%20Energy%20Storage%20December%202013.pdf カリフォルニア州の系統運用者である CAISO は、同州において供給力に占める再生可能エネルギーの割合が 33%に達す ると、周波数調整力を現在の 2～4 倍用意する必要があるとみている。 5 NEDO 再生可能エネルギー技術白書(http://www.nedo.go.jp/content/100544824.pdf)第 9 章「系統サポート技術 9.2.2.4 発電出力予測」（58 ページ） 6 http://smartgrid.hpc.co.jp/denryoku_chozo.htm 4 Stepwest Corp Feb. 2014 12 エネルギー保存システム ピーク需要にあわせて設備を建設しなければならず、格差の拡大は設備の利用率を低下さ せ、電気を供給するコストの上昇につながる。電力消費量が少ない夜間に電力を蓄え、電 力消費量が多い昼間に放出することで、夜の発電量は増え、昼の発電量は減り、負荷が平 準化される。 これにより、電力供給事業者は発電所の増設を抑えることができ、消費者は契約電力を低 減できるとともに、昼夜間の電気料金格差を利用して電気代の節約を図れることが大きな メリットとなる。 図 2-4 米国に於ける蓄電容量とその技術別内訳（計画分を含む） （出典：DoE の 2013/12 レポート） Stepwest Corp Feb. 2014 13 エネルギー保存システム (3) 電力品質の改善 送配電線への落雷に対して保護機能が正常に動作した際、短時間の電圧低下が起きる。こ れを瞬圧（瞬時電圧低下）と呼び、このわずかな電圧の乱れが、デリケートな精密機械や 半導体の製造プロセスに多額の損害を与える。 需要者の構内や、送配電網の中に適切な蓄電装置を設置する事で、この様な瞬圧による損 害を防止する事が出来る。この目的では、フライホイール等が用いられる。 (4) 非常用電源としての利用 工場やオフィスビルなどの大口消費者は、非常用電源を設置することが法令で義務づけら れている。 非常時には確実で安定した起動が求められ、電池残量をゼロにすることなく必要量を常に 残す必要があるが、負荷平準化や電力品質維持の目的で導入した電池の一部を、非常用電 源として確保することは可能である。 この場合、蓄電システムとしては日々運転されているので、非常時にも安定して起動する ことができる。 NEDO が取りまとめた「二次電池技術開発ロードマップ 2013」では、定置用の二次電池の現在 (2012 年度末)および 2020 年度頃の目標寿命とコストは下表のようになっている。 種類 長周期変動調整用 系統用 短周期変動調整用 中規模グリッド・工場・ ビル 需要家 用 家庭用 無線基地局・ データセンターバックアップ 項目 寿命 コスト 寿命 コスト 寿命 コスト 寿命 コスト 寿命 コスト 現在(2012 年度末) 10~15 年 5~10 万円/kWh 10~15 年 20 万円/kWh 5~60 年 2.3 万円/kWh 5~10 年 5~25 万円/kWh 10 年 20~40 万円/kWh 2020 年度頃 20 年 2.3 万円/kWh 20 年 8.5 万円/kWh 20 年 20 年 20 年 (5) 稼働中の大型蓄電施設の概要 揚水型発電の最大のものは、米国にある Bath Country で、3,000MW を 10 時間（20,000MWh） 持続出来る。また、カリフォルニア州の Merced 郡にある施設は、定格出力が 424MW と少な いが、約 298 時間(126,352 MWh)持続可能。 圧縮空気蓄電では、同じく米国の McIntosh の施設が、110MW を 26 時間（=2,800MWh）持続 出来る。但しこの施設は圧縮空気を天然ガス火力発電の補助エネルギーに用いているので、 圧縮空気のみを用いた純粋な蓄電発電装置ではない。 7 NaS 電池では、日本の青森の六ヶ所村の風力発電所に併設割れている日本ガイシ製の施設が 世界で最大で、34MW(2MW x 17 基)を約 7 時間（=238MWh）持続可能7。日本ガイシ製の装置 は１基が 2MWx7 時間であり、今の時点ではこの装置を２基とか４基とか設置するケースが http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1304/09/news007.html Stepwest Corp Feb. 2014 14 エネルギー保存システム 多い。なお、日本ガイシ社はこれまでに国内外合わせて約 170 カ所、合計で 30 万 kW の稼 働実績がある。 フロー電池は日本の苫前町内の風力発電の施設が、4MW を約１時間３０分（6MWh）、中国の Zhangbei National Wind& PV の施設が 2 MW を約 4 時間（8MWh）放電可能であり、これら が現時点では最大規模であるが、現在米国で建設中の Primus Power Corporation Wind Firming Energy Farm は、25MW を 3 時間（75MWh）持続可能で稼働を始めれば世界最大と なる。 現在実用化（稼働中）されている蓄電装置の中で最大規模の施設を下記する。(2014/2 時点 の DoE のデータベースによる8) 区分 出力 持続時間 蓄電容量 国 3,003 MW 約 10 時間 30,000 MWh 米国 424 MW 約 298 時間 126,352 MWh 米国 110 MW 34 MW 4 MW 約 26 時間 約 7 時間 約 1.5 時間 2,800 MWh 238 MWh 6 MWh 米国 日本 日本 2 MW 約 4 時間 8 MWh 中国 25 MW 約 3 時間 32 MW 25 MW 約 15 分 約 2 時間 75 MWh （建設中） 8 MWh 50 MWh 524 MW 約 0.1 分 0.87 MWh ドイツ 20 MW 約 15 分 5 MWh 米国 鉛電池 36 MW 約 40 分 24 MWh 米国 キャパシタ ー 0.45 MW 約1分 0.0075 MWh 米国 揚水発電 圧縮空気 NaS 電池 フロー電池 リチウムイ オン電池 フライホイ ール 8 米国 米国 米国 プロジェクト名 Bath County Pumped Storage Station San Luis Pumped Storage Hydroelectric Powerplant McIntosh CAES Plant Rokkasho Village Wind Farm Tomamae Wind Farm Zhangbei National Wind and Solar Energy Storage and Transmission Demonstration Project Modesto California Wind Firming EnergyFarm Laurel Mountain GM ABB Volt Battery ASDEX-Upgrade Pulsed Power Supply System Beacon Power Flywheel Frequency Regulation Plant Duke Energy Business Services Notrees Wind Storage Demonstration Project Palmdale Micro Grid Energy Storage Demonstration http://www.energystorageexchange.org/projects Stepwest Corp Feb. 2014 15 エネルギー保存システム 2.2.2. 運輸向けエネルギー貯蔵 運輸（自動車、船舶、鉄道）向けのエネルギー源としては、図１に示すように石油製品（ガソリ ン、ディーゼル、重油等）が占める割合が非常に高い。しかし、石油製品は(1)化石エネルギー であるためその資源が限られやがては枯渇する(2)排気ガスが環境汚染を引き起こす(3) 地域的 リスクの高い中近東等に依存する、等の問題があり、環境的にも国家安全政策的にもこの様なエ ネルギー源を減らす必要がある。 カリフォルニア州の ZEV(Zero Emission Vehicle)規制が大きなトリガーとなっているが、カリ フォルニア州はその規制の強化を行っている。 石油製品以外の代替エネルギー源として、現在(1)電気自動車(EV)と(2)水素発電車(FCV:燃料電 池車)が期待されており、世界的に開発が進み、一部量産が行われるようになってきた。各種の 社会インフラの整備や価格を含めて課題は多いが、先進国を中心に大きな流れとなっている。 電気自動車の場合、20kWh から 85kWh が現在のバッテリー容量となっているが、このバッテリー コストが重要な要素である。2014 年の時点では、1kWh あたりの製造コストが 1,000 ドルと言わ れるが、本格的な普及期（2020 年）には、これが 200 ドル程度に下がる必要がある。（注：2013 年モデルの日産のリーフに搭載されている二次電池の容量が 24kWh、テスラ社のモデル S は 60kWh/85kWh である。 ） 完全な電気自動車ではなくとも、ハイブリッド化する事やアイドリングストップ機能を搭載する ことによる燃費の大幅な向上は実現されつつある。この際も 1kWh 〜5kWh 程度の容量のバッテリーが必要となってくる。(2013 年モ デルのプリウスハイブリッド に搭載されている二次電池は約 2kWh(ニッケル水素)、プラグインモデルで約 5kWh（リチウムイオ ン）である。) 運輸向けに蓄電装置（バッテリー）を用いる場合は、その蓄電装 置の安全性や経済性が大きな問題となる。 なお、トヨタ自動車のハイブリッド車のプリウスは、2014 年 1 月 時点までの累計で 600 万台出荷されたとの事。 なお、車載用では安全性とコストの観点から正極材料に「コバル ト酸リチウム（LiCoO2） 」はほとんど用いられない。現在、車載用 で主流となっている正極材料は「マンガン酸リチウム（LiMn2O4）」 図 2-5 米国テスラ社の モデル S のリチウムイオ ン二次電池 ニッケル系 の正極を用いた 18650 セ ルが 8,000 個以上使われ ている （同社ホームページよ り） 「三元系(Li（Ni-Mn-Co）O2)」「リン酸鉄リチウム（LiFePO4）」「ニッケルリチウム（LiNiO2）」で ある。 種類 電力密度 重視型 Stepwest Corp 項目 エネルギー密度 出力密度 現在(2012 年度 末) 30~50Wh/Kg 1,400~2.000 W/Kg 2020 年度頃 2030 年度頃 200Wh/Kg 2,500 W/Kg Feb. 2014 16 エネルギー保存システム (HEV, PHEV) コスト 10~15 万円/kWh 2 万円/kWh エネルギー エネルギー密度 60~100Wh/Kg 250~Wh/Kg 500Wh/Kg 密度重視型 出力密度 330~600 W/Kg ~1,500 W/Kg ~1,500 W/Kg (EV) コスト 7~10 万円/kWh <2 万円/kWh 約 1 万円/kWh NEDO が取りまとめた「二次電池技術開発ロードマップ 2013」では、現在(2012 年)および 2020 年度 2030 年度頃の目標性能とコストは下表のようになっている。（性能は、セル単体では無く電 池パックでのもの。） 右の写真はテスラ社の電気自動車「Model S」の電池システムである。この電池システムにはパ ナソニック社が開発・製造した「リチウムイオン二次電池 18650 円筒形セル（正極はニッケル系） 9 」が 8,000 個以上使われている10。 2.2.3. モバイル機器向けエネルギー貯蔵 モバイル機器向けの蓄電装置（バッテリー）は、他のアプリケーショ ンに比べて最も早く市場に出て、一般的となって行った。 1950 年代に広まった家庭向けや産業向けの電気製品（テレビ、冷蔵庫、 洗濯機等）は、その必要な電力をコンセントから供給する事が多かっ た。 1960 年代に充電が出来ない一次電池がポータブルラジオ、懐中電灯、 一部の産業用の持ち運び機器の機器に使われるようになった。 図 2-6 アップル社 iPhone 用のリチウムイ オン二次電池（報道資 料より） 1970 年代に充電可能な二次電池が開発量産されるようになり、極めて容量は少ないが、徐々に 適用が広がって行った。（電池が専用の容器に入っている場合と、乾電 池型の円筒形の容器に入っている場合の両方があった。） 1980 年代になり、個人（家庭）向けビデオカメラや録音機器にも、こ れらの充電可能なバッテリーが使われだした。この時代は「ニッケルカ ドミウム二次電池」が主流であったため、大きく重く、また環境への負 担が大きかった。 1990 年代になり、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯電話等のモ バイルアプリケーションで爆発的に二次電池が市場を広げて行った。こ の時点ではニッケルカドミウム二次電池よりもエネルギー密度が高く、 また環境負荷が少ない「ニッケル水素二次電池」が主流となった。 図 2-7 富士フィルム 社製デジタルカメラ用 のリチウムイオン二次 電池（同社ホームペー ジより） 2000 年代に「リチウムイオン二次電池」が使われるようになり、それま で使われていたニッケル水素二次電池等よりエネルギー密度が 2 倍程度と なり、また生産量拡大に伴って価格も手頃になり、更に適用を拡大した。 図 2-8 三洋電気 （現パナソニック） 9 パナソニックは、「従来のニッケル系に異種元素を添加することにより, 充電状態での結晶構造を強固(Ni-O共有結合の 製の充電式の単三乾 強化)に し,充電状態における材料の熱的安定性を改善した」と説明しているが、組成式は公開していない。 10 http://green.autoblog.com/2011/03/22/tesla-lets-us-peek-in-on-model-s-development/ 電池（出典：報道資 料） Stepwest Corp Feb. 2014 17 エネルギー保存システム この場合は乾電池型の二次電池では無く、専用の外形をもった電池パックとして使われる事が多 い。 この時期、ノートパソコンに搭載されたリチウムイオン二次電池の発火事故等が報告され、安全 性への懸念も広がった。 2010 年代になり、モバイル機器向けの「リチウムイオン二次電池」の性能・容量は拡大した物 の、これらの機器はより高機能・高精細・大画面になり、二次電池にはさらなる高性能化・高容 量化が要求されている。 なお、デジカメ、携帯電話（スマートフォン）では、リチウムイオンポリマー二次電池の採用が 増えている。 モバイル機器に使われる「乾電池型二次電池」においては、「ニッケル水素電池」が主流となっ ている。その理由として、ニッケル水素電池の「大電力・大電流時の放電特性に優れる」「単純 な回路で充放電が可能」「安全性が確立されている」といった特徴の他、リチウムイオン電池が、 特性および安全性の問題から乾電池型として不向きであり、普及に至っていないことが挙げられ る。 Stepwest Corp Feb. 2014 18 エネルギー保存システム 3. 稼働中の各種のエネルギー貯蔵方式について 3.1.各方式の概略と比較 エネルギー貯蔵（energy storage）媒体とは、エネルギーを何らかの形で格納する物質であり、 後から利用可能な形でそれを引き出せるものである。 エネルギーを貯蔵する形態（媒体）としては、下記がある。 電気化学的エネルギー貯蔵（いわゆる「電池」といわれるもので、「ニッケル水素二次電 池」や「リチウムイオン二次電池」等がある） 化学的エネルギー貯蔵（ 「水素」等の元素をエネルギー貯蔵に用いる） 電気的エネルギー貯蔵（キャパシター、等） 力学的エネルギー貯蔵（揚水型水力発電、圧縮空気をもちいたエネルギー貯蔵、等） その他のエネルギー貯蔵（熱的貯蔵、超伝導磁気エネルギー貯蔵、等） これらの色々な方式はそれぞれ一長一短があり、その使用目的や必要な性能に従って使い分けら れている。総蓄電容量が多いほど良いもの、一気にたくさんの出力ワット数が出せる方が良いも の、最大出力になるまでの時間が短い方が良いもの、蓄電時間が短い方が良いもの、より少ない 重量やサイズでより多くの蓄積が出来る方が良いもの、等である。 次ページの図は、横軸にそのエネルギー出力の大きさ（出力ワット数）を、縦軸にその出力を持 続出来る時間の長さを取り、色々な蓄電システムを比較した物である。「出力ワット数(MW)」と 「持続時間(h)」をかけた物が「蓄電容量(MWh)」である。 この図では、装置のサイズ（大きさや重量）は無視している。 出力の大きさと出力時間の両方で一番大きい蓄電装置は揚水型発電(PSH)、それに次ぐ物は圧縮 空気を用いた蓄電(CAES)であるが、両者とも極めて大型の施設であり、電力網への接続で安定を 図る物である。 自動車向けやモバイル機器向け等の用途では、「大きさ」や「重さ」が重要なファクターになる ケースが多い。この場合は単位重さや単位容積あたりのエネルギー保存量を示す「エネルギー密 度」が大事になる。 Stepwest Corp Feb. 2014 19 エネルギー保存システム 図 3-1 蓄電方式の比較（出典：各種資料をもとに Stepwest が作成） 3.2.電気化学的貯蔵（二次電池） 3.2.1. 二次電池の概略 電気化学的にエネルギー（電力）を蓄える事が出来、繰り返し充電／放電が可能な電池を「二次 電池」「蓄電池」「充電式電池」という。11 本調査レポートでは、 「二次電池」という呼称を用いる。 充電を行うことにより化学反応により電気を蓄えて電池として使用できる様になり、繰り返し使 用することが出来る。 物理的や電気的にエネルギーを貯蔵する方法（フライホイール、揚水発電、圧縮空気蓄電等）に 比べ小型化が可能であるが、化学反応を用いるが故の不安定さ、毒性、寿命の問題等がある。 化学電池の基本構成は下記の通りである。 11 http://ja.wikipedia.org/wiki/電池 Stepwest Corp Feb. 2014 20 エネルギー保存システム (1)電極／活物質 電池の電流の取出口として「正極（陽極、カソード）」 「負極（陰極、アノード） 」の 2 つの 「電極」がある。電位の高い方が正極であり、電位の低い方が負極である。 電池では「正極側で還元反応」が起こり、 「負極側で酸化反応」が起こる。 電極の構成要素には、「活物質」「集電体(Al, Cu 等)」「分散剤」 「導電助剤」 「バインダー」 等がある。 電極に含まれる「活物質」は、電池反応の中心的役割を担い、電子を送り出し受け取る酸 化／還元反応を行う物質である。例えば、リチウムイオン二次電池の正極活物質には、リ チウムを含む酸化物粉末(LiCoO2,LiNiO2,LiMnO2 な ど ) が、負極には主に黒鉛(グラファイ トともいう、天然黒鉛、人造黒鉛などがある)が用いられている。 出力される「電圧」は 2 つの電極電位の差であるため、正極側の活物質は電極電位が高い 方が良く、負極側の活物質は電極電位が低い方が良い。 電極は上記のように色々な構成物質からなっているが、電気伝導率が高く、活物質や電解 液に対して化学的に安定であることが求められる。また、素材の値段が安い（容易に調達 出来る） 、加工が簡単、等も重要な要素となる。 (2)電解質 「電解質」は「イオン導電性が高い」ものが求められる。 活物質などに対して化学的に安定であることも求められ、生物毒性や発火性も無いことが 望まれる。リチウムイオン電池に発火の危険性があるのは、使用する有機電解液が可燃性 であることが１因である。 電池の電解質は電解液と呼ばれる液体のものが多いが、ゲル状のポリマーを用いたリチウ ムイオンポリマー二次電池等も実用化されている。またリチウムイオン二次電池の発火危 険性を回避する為に、固体電解質の研究開発が進んでいる。 (3)セパレータ 「セパレータ」は「隔膜」とも呼ばれ、正極と負極を分離する機能を担っている。 熱や応力に対する耐久力と同時に電池内の他の物質に対して化学的にも安定でありながら、 電解液中のイオンの移動を妨げないように多孔質で薄い膜が求められる。 (4)容器 「容器」は電池の外形を成し、電極／活物質、電解液、セパレータといった内部の構成物 質を収めて閉じ込める役割をする。 力学的に丈夫で耐薬品性に優れた素材が求められる。 上記の(1)〜(4)の要素全般は、安価で軽量、加工性・生産性が良く、環境汚染を起こさないリサ イクルに向いた材料が求められる。 電池のエネルギー 二次電池のエネルギー F は 「負極と正極間の電位差(起電力,E)」 と、 「電気容量 Q 」の積 である。 Stepwest Corp Feb. 2014 21 エネルギー保存システム エネルギー（F）=電位差（E）×電気容量（Q） 即ち、「負極と正極間の電位差」が大きければ大きいほど起電力（電圧、V）が高くなり、「容積 あたりや重量あたり の電気容量 (Ah)」が大きければ大きいほど電池として蓄えられる容量 (VxAh=Wh)が大きくなる。 電位差と電気容量の積で、貯蔵出来るエネルギー量がきまる。 主な電池の公称電圧（負極と正極間の電位差）を下記するが、リチウムイオン電池の公称電圧が 他方式に比べて高い事が分かる。 電池の種類 公称電圧 鉛二次電池 2.0 V ニッケルカドミウム二次電池 1.2 V ニッケル水素二次電池 1.2 V リチウムイオン 二次電池 コバルト酸リチウムイオン電池 3.7 V 三元系リチウムイオン電池 3.6 V マンガン酸リチウムイオン電池 3.6 V ニッケル系リチウムイオン電池 3.6 V チタン酸リチウムイオン電池 (LTO) 2.5 V リン酸鉄リチウムイオン電池 (LFP) 3.3 V レドックスフロー二次電池 1.1 V NaS 二次電池 2.1 V コラム：「エネルギー密度 vs. 出力密度」 「エネルギー密度(Energy Density)」 ある蓄電装置が保存出来るエネルギー量(Wh)を、その装置の容積(m3 または L)また は重量(kg や g)で割った物である。 「容量密度」とも言う。 例えば、テスラ社／モデル S のリチウムイオン二次電池の電力容量（エネルギー 量）は 60kWh/85kWh で、その重量が約 500kg なので、85kWh モデルの重量エネルギ ー密度は 85kWh÷500kg =0.17kWh/kg =170Wh/kg =170kWh/g となる。 電気自動車(EV)では長距離走行出来る事が大事なので「エネルギー密度」が優先 され、ハイブリッド車(HEV)では比較的短時間の加速補助用にバッテリーとモータ ーが使用されるため、下記の「出力密度」が優先される事が多い。 NEDO の 2013 年ロードマップでは、現在(2012 年)の電気自動車(EV)の二次電池の エネルギー密度は 60~100Wh/kg、2020 年の目標が 250Wh/kg である。 なお、「容量値」は電気自動車で 20kWh~80kWh 程度、ハイブリッド自動車で通常 1kWh ~ 2kWh 程度である。 「出力密度(Power Density)」 ある蓄電装置が最大で出力可能なエネルギー値(W)を、その装置の容積(m3 または L) または重量(kg や g)で割った物である。 「出力値（最大で出力可能なエネルギー値：W)」が高いほど、瞬間的に高出力が 出せる。 Stepwest Corp Feb. 2014 22 エネルギー保存システム 発進加速などで二次電池が使われるハイブリッド車では重要な指標となる。 例えば、「出力値」が 200kW で重量が 100kg のハイブリッド車用の二次電池の場 合、その出力密度は 200kW÷100kg =2,000W/kg となる。 NEDO の 2013 年ロードマップでは、現在(2012 年)のハイブリッド自動車(HEV)用の 二次電池の出力密度は 1.4kW~2kW/kg、2020 年の目標が 2.5kW/kg である。 なお、テスラ社のロードスターの最大出力は 215kW12で、その重量が約 500kg なの で、出力密度は 215kW÷500kg = 0.4kW/kg となる。大きなバッテリーを積まない ハイブリッド自動車と比べると、大容量（大重量）のバッテリーを積む電気自動 車の出力密度の数値は悪くなる。 コラム：「電池セル 12 vs. 電池パック」のエネルギー密度 通常、蓄電装置の指標には、「電池パック（バッテリーモジュール全体）」の重量 や容積を用いる。即ち、バッテリマネージメントシステム(BMS)や、安全の為のセ ル間の隔壁や全体を格納する金属筐体の重さや容積を含む。 しかし、「電池セル」単体の性能をあらわす場合には、「セル単体」の重量や容積 を用い、BMS や筐体を含まない場合が多いので注意を要する。（通常、18650 の円 筒形セルは BMS を内蔵しない。保護回路が無いので、セルのまま用いるのは非常 に危険である。 ） 色々な報道資料やニュースリリースを見ると、リチウムイオン二次電池のエネル ギー密度（Wh/kg）が出てくるが、これが「電池セル」の値なのか、 「電池パッ ク」の値なのか分からない事が多い。 「リチウムイオン二次電池」は、エネルギー密度が高い裏返しとして危険性も高 い為に、保護回路（BMS）が必須であるが、通常 BMS は「電池セル」内には置かず に「電池パック」に置く。 また、万一、あるセルが異常をきたして、発熱・発火した場合に、他のセルにそ の熱暴走がおよび、延焼しない様にモジュール間に隔壁を設ける。また、バッテ リーパック全体を外部の衝撃にも耐えるがっちりとした構造とし、防水処置を施 す。 これらの BMS やモジュール間隔壁や全体を覆う筐体はバッテリーパックとしては 不可欠であるが、これらの重量が、パック全体の重量となり、エネルギー密度の 計算に現れてくる。 例えば、テスラ社はパナソニックの「18650 セル」をそのモデル S に 8,000 個以上 用いているが（正確な数は未公表） 、セル単体の値とバッテリーパックでの値を比 較してみる。 パナソニック社 テスラ社 モデル S 18650 円筒形セル バッテリーパック 容量(Wh) 10Wh 85kWh 重量(kg) 0.045kg 約 500kg エネルギー密度 220Wh/kg 170Wh/kg 比率 1 0.77 以上の様に、「セル vs パック」ではそのエネルギー密度に 23%の差がある。 なお、この比較は円筒形セル(18650)の場合であり、角形セルやラミネート型セル では異なる。 「電極材料」の容量密度を表す場合には、電極材料単体の重さに対する mA/g とい う単位を使う事が多い。 http://www.teslamotors.com/jp/roadster/technology/battery Stepwest Corp Feb. 2014 23 エネルギー保存システム コラム： 放電レート（C レート） 電池の特性を評価する際に、「どれだけスムーズに放電出来るか」が重要な要素 となる。 各電極材や電解質の性能によって、急速に放電出来るかどうか、急速に放電した 際に電池の放電特性がどうなるかが重要である。 このさい、放電能力の大きさを評価する際に、放電する電流の絶対値で表すので は無く、「公称容量値」に対する相対的な大きさで表す方が、比較が出来て分か りやすい。 この目的の為に使われてる尺度が「放電レート（Cレート）」である。 ある公称容量を有するセルを定電流放電して、ちょうど1時間で放電終了となる電 流値の事を「１Cの放電レート」という。 例えば40Ahの公称容量値のセルでは1C=40Aであり、40Aをスムーズに放電出来れば １時間で放電終了になるはずである。（なお、40Ahのセルとは、電圧が3.7Vであ ればエネルギー量は40Ah x 3.7V = 148 AVh = 148 Whである。） このセルを仮に2Cで放電すると、30分で放電が終了するはずである。 この「Cレート」は、電池の性能を判断する場合に重要な要素となり、高いCレー トでも安定した放電が可能な電池程、優秀な電池と言える事ができる。 例えば、下記のような使い方をする。 「酸化鉄リチウムイオン二次電池な ら、公称容量値の電流（1C）の３倍 の電流(3C)で充電が可能です。」 「一般的なコバルト系リチウムバッ テリーは高速充電に対応していない ので5時間充電（0.2C）です。」 通常、5時間で放電する電流値（0.2C）で の電池の容量(AhまたはWh)を「公称容量 値」とする。即ち、0.2Cでの放電がその 二次電池の容量値を表示する際の基準と なる。 放 電レ ートが 1C、 2C、 5Cと 大き くなる と、取り出せる電池の電圧が低下してい き 、取 り出せ る電 池の 容量 が減 って行 く。これはセルの内部抵抗のために、電 圧が下がり、エネルギーが無駄に使われ ているからである。 Stepwest Corp 図 3-2 放電レート特性の例。 1C/5C/20C での放電容量と電池電圧の関係 をグラフにするケースが多い。 通常、放電レート（C）が大きくなるほど 放電容量が下がって行き、性能が悪くな る （出典：産総研ホームページ） Feb. 2014 24 エネルギー保存システム 3.2.2. 二次電池の各方式の比較 既に量産出荷されているもの、まだ研究・開発段階にあるものを含め、二次電池には非常に多く の種類があり、それぞれ利点・欠点がある。 下表に現在出荷中の電気化学方式の二次電池の特徴を纏める。 比較項目 主要 なメ ーカ ー 鉛蓄電池 日本 GSユアサ 古河電池 パナソニック 新神戸電機 日本 以外 Johnson Control（米） 多くの中国メ ーカー エネルギー 密度 (括弧 内は理論値) ニッケル カドミウム 電池 パナソニッ クGr ソニー 東芝 GSユアサ ニッケル 水素電池 リチウム イオン電池 NaS電池 レドックス フロー電池 パナソニッ クGr 川崎重工業 FDK パナソニックGr ソニー GSユアサGr 日立Gr 東芝 日本ガイシ 東京電力 住友電気工業 住友電気工業 LG（韓） SamSung（韓） 米国のベンチャ ー企業多数 米国のベンチ ャー企業多数 （量産には至 って居ない） オーストラリ アや米国のベ ンチャー企業 多数 200 Wh/kg (583 Wh/kg) 130 Wh/kg (786 Wh/kg) ~10 Wh/kg (103 Wh/kg) 硫黄(S) バナジウム (4価) ナトリウム (Na) バナジウム (3価) コストが安い コンパクトで 長寿命(15年) 運転に高温維 持(300℃)が必 要 ナトリウムの 可燃性が高い エネルギー密 度は低いが、 構造が単純で 大型化しやす い 定置用蓄電池 (系統安定化 用) 40 Wh/kg (167 Wh/kg) 60 Wh/kg 100 Wh/kg (196 Wh/kg) 主要な 正極材料 二酸化鉛 水酸化 ニッケル 水酸化 ニッケル 主要な 負極材料 鉛(Pb) 水酸化 カドミウム 水素 吸蔵合金 特徴 コストが安い 長年の実績が ある エネルギー密 度が低いため 、 容量を増やす と重くなる 出力が大き い エネルギー 密度が低い カドミウム を使用 ニカド電池 より安全性 かが高い エネルギー密度 が高いため、 少量で高容量が 可能 出力も大きい 小型民生用は技 術的に成熟 用途 車載用電池 (起動用) 産業機器用電 池 民生用 (減少傾向) 民生用電池 (減少傾向) 車載用電池 産業機器用 電池 民生用電池 定置用蓄電池 車載用電池 産業機器用電池 定置用蓄電池 (系統安定化用 ) 遷移金属酸化物 (Co, Mn, Ni) リン酸鉄(FePO) 三元型 黒鉛系炭素材料 , シリコン(Si) チタン酸(TiO) (出所)各種公表資料を元にStepwestが作成 比較項目 鉛蓄電池 ニッカド 電池 ニッケル 水素電池 リチウム イオン電池 NaS電池 レドックス フロー電池 サイズ × × ○ ○ ○ ○ × × × × ○ △ ○ × ○ × △ △ △ ○ ○ ○ ○ ○ △ × ○ ○ × × ○ ○ ○ × ○ × × ○ ○ ○ ○ ○ 重量 メモリー効果 大電流放電 コスト 温度 環境性 (出所)各種公表資料を元に Stepwest が作成 Stepwest Corp Feb. 2014 25 エネルギー保存システム 3.2.3. リチウムイオン二次電池 3.2.3.1. リチウムイオン二次電池の一般的特徴 リチウムイオン二次電池（lithium-ion rechargeable battery）とは、非水電解質二次電池の一 種で、電解質中の「リチウムイオン(Li+)」が電気伝導を担う二次電池である。 蓄電の仕組みがそれまでの電池とは異なり、化学反応を起こすのではなく、正極と負極の間をリ チウムイオンが移動することで充電放電が行われる。（リチウムイオンは各電極に「収納」され るのであって、化学反応を起こす訳では無い。） 歴史 １９７９年に最初の製品化が行われた（ソニー）。 以来、その以前に一般的であった「ニッケルカドミウム二次電池」や「ニッケル水素二次 電池」と比較してエネルギー密度が二倍以上高いため、モバイル機器向けを中心に一気に 採用が広がっている。 構造 代表的な「リチウムイオン二次電池」では、正極に「リチウム遷移金属酸化物」 （例、コバ ルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、等）、負極に「炭素」、電解質に「有機溶媒」（炭 酸エチレンや炭酸ジエチル）と「リチウム塩」（LiPF6）を使う。 なお、「リチウム二次電池」というと、「金属リチウム二次電池」をさす場合が多く、こ れは「リチウムイオン二次電池」とは違う種類の電池である。また単に「リチウム電池」 というと、充電が出来ない一次電池をさす場合がある。 メリット デメリット 13 非水系の電解液を使用するため、水の電気分解電圧を超える高い電圧が 得られ、エネルギー密度が高い。 同じ質量で比較するとニッケル水素電池の３倍、鉛蓄電池の７倍程度の 電気を蓄えることができる。 メモリー効果が小さく、携帯電話やハイブリッドカーなどの継ぎ足し充 電をする機器に適している。 電解液に水溶液を使用しないため氷点下の環境でも使用できる。（危険 性との裏返しであるが） 「金属リチウム二次電池」に対する最大の利点は、充放電の繰り返しに 伴い電極にデンドライト状（樹枝状晶）リチウムが析出して電極を短絡 させる現象がほぼ発生しないことにある。 自己放電特性（充電エネルギーの保持特性）はニカド電池やニッケル水 素電池より格段によい。 Ni-MH（ニッケル・水素）2 次電池よりも内部抵抗が少ないため、充放電 に伴う損失を減らせる（充放電効率が良い）。（電気自動車やハイブリ ッド車に採用された場合、Ni-MH に比べて燃費（電費）が向上する。） 常用領域と危険領域が非常に接近していて、安全性確保のために充放電 を監視する保護回路(BMS13)が必要である。 これは、充電時に電圧が上昇する際に、正極および負極が極めて強い酸 化状態・還元状態に置かれ、他の低電圧の電池に比べて材料が不安定化 しやすいためである。 過度に充電すると正極側のリチウムイオンがどんどん負極に引っ張られ る。このため、正極側では電解液の酸化・結晶構造の破壊により発熱し 、負極側では過剰な Li イオンが金属 Li として堆積する。この Li は活性 BMS : Battery Management System Stepwest Corp Feb. 2014 26 エネルギー保存システム なので 80℃くらいで熱暴走する恐れがある。また、堆積した金属 Li が セパレータを物理的に突き破ると、正負極の短絡が生じ、大電流が流れ る。電池を急激に劣化させるだけでなく、最悪の場合は破裂・発火する 。したがって、充電においては極めて高い精度（数十 mV のレベル）で の電圧制御が必要である。 過放電では、正極のコバルトが溶出したり、負極の集電体の銅が溶出し てしまい二次電池として機能しなくなる。この場合も、電池の異常発熱 に繋がる。 エネルギー密度が高いために短絡時には急激に過熱する危険性が大きい 。さらに、有機溶剤の電解液が揮発し、発火事故を起こす恐れがある。 短絡は外力が加わることで電池内部で発生する場合もあり、衝撃に対す る保護も必要である。 3.2.3.2. リチウムイオン二次電池の動作原理について (1) 放電後の状態 ・ 放電により、リチウムイオンが正極に戻っ てきている。 ・ これらのリチウムイオンは、正極材料の層 状構造や格子構造の中に捉えられている （インサーションされている）。 ・ 両極とも静電気的にバランスしている。 （帯電していない。） ・ 両電極間の電位差が小さくなっている。 （なお加放電状態になると電位差が無くな り危険である。 ） (2) 充電時の動作 外部電源より、正極（カソード）に高い 正電圧がかけられる（通常 4.5V 程度） 。 この外部電源により、正極から電子を引 き抜き、この電子を負極に押し込む。これに より、負極材料に電子が集まり、マイナスに 帯電する。 プラスに帯電している「リチウムイオン(Li+)」 は、正極の構造体から脱離し、電子が十分に ありマイナスに帯電している負極に吸い寄せ られて行く。 このさい、正極材料中（例えば LiCoO2）の遷 移金属（例えばコバルト Co）は電子を失い Co3+→Co4+等になる。 負極に多く使われるグラファイトは、炭素原 子(C)が単層の六角構造（ハニカム）をなし、 この六角構造が層状をなしている（右図） 。 この層同士はファンデルワールス力でゆるく 図 3-4 グラファイトの構造。炭素原子が６ 結びついているが、正極から移動してきたリ 角格子をなして層状となり、各層はゆるく結 合している。 （出典：Stepwest 作成） チウムイオンは、この層間(3.35Å=0.335nm) Stepwest Corp 図 3-3 リチウムイオン電池の充電時の動作 （出典：Stepwest 作成） Feb. 2014 27 エネルギー保存システム や六角構造の中にゆるく捉われる(インタカレートされる)。 (3) 充電完了時の状態 負極では、外部電源による充電で増えた電子(e-)と、正極から移動してきたリチウムイオン (Li+)が静電気的にバランスしている。電子(e-)は炭素のグラファイト構造の中で浮遊し、 グラファイトをマイナスに帯電させ、これがリチウムイオン(Li+)を静電気的に引き寄せて いる。 正極では、正極材料中の遷移元素が電子を失う事と、リチウム原子がイオン化(Li+)して離 脱したことで、やはり静電気的にバランスしている。 それぞれの極では静電気的にプラスマイナスがバランスしているが、負極と正極の間には 電位差がある。電極材料がコバルトと炭素（グラファイト）の場合はその電位差（電圧） は約 3.7V である。 （この状態でリチウムイオンが負極から勝手に正極に移動すれば、「自己放電」となる。） (4) 放電時の動作 電池外部で両電極間に「負荷（例えばモーター）」がかかる（電池外部で両電極間に導電性 の接続がなされる）。 電気的に接続されると、両電極間には電位差があるので、負極から正極に向かって電子が 流れる。（＝正極から負極に「電流」が流れる。） 電位差により、負極材料から電子が奪われ、正極材料に電子が与えられる。負極材料のグ ラファイト（炭素）の構造の中に蓄えられていた電子(e-)が無くなると、層間に捉えられて いるリチウムイオン(Li+)を引きつけておけなくなる。 外部の接続により負極より奪った電子(e-)が正極に集まり、マイナスに帯電するので、負極 に捉われていたリチウムイオン(Li+)を引き寄せる。 リチウムイオン(Li+)が正極の構造中に捉われ電子を得るて Li に戻る。 (5) その他 正極と負極はどちらも材料内にリチウムイオンがもぐり込むことが出来る構造を取る。 この様な構造には、層状（レイヤー）構造(LiNiO4, LiCoO2、グラファイト)、格子（スピネ ル）構造(LiMnO4)、オリビン型構造(LiFePO4 等)がある。 リチウムイオン(Li+)が正極や負極内部に移動する事をインサーション（あるいはインター カレーション、インタカレート）と呼び、逆にリチウムイオンが出て行く事をエクストラ クション（またはデインターカレーション、デインタカレート）と呼ぶ。 正極材料はリチウムイオンの脱離や収納が容易で、かつリチウムイオン(Li+)が脱離した後 も構造が強固であることが必要である。 層状（レイヤー）構造は、他の構造に比べて、リチウムイオン(Li+)離脱時に層間に隙間が 開き、構造が不安定になると言われている。 負極材料として、容量密度が高いシリコンやスズに期待が高まっているが、これらの原子 はリチウムイオンがインサーションされた際に体積が数倍に膨張するため構造が不安定に なる。 3.2.3.3. リチウムイオン二次電池の各部材について 電極の選択 Stepwest Corp Feb. 2014 28 エネルギー保存システム 一般には、負極、正極、電解質それぞれの材料は、リチウムイオンを移動し、かつ電荷の 授受により充放電可能であればよいので、非常に多くの構成をとりうる。（次ページの NEDO のロードマップの図を参照）14 前述の様に、「陽極負極の電位差」と「容量密度」の積が総合的なエネルギー貯蔵能力とな るので(1)容量密度が大きい事 (2)陽極材料と負極材料の電位差が大きい事、が大事である。 図 3-5 リチウムイオン二次電池に使われる、各種の電極材料 (NEDO の 二次電池ロードマップ 2013 を元に Stepwest が追加・編集して作成) 正極 モバイル機器向けの小型のリチウムイオン電池の多くは、「コバルト 酸リチウム (LiCoO2)」を正極に使う事が多い。 14 しかし、LiCoO2 を用いた正極材料のエネルギー密度は 160 Ah/kg と小さく、負極材料 に比べて遅れており、正極材料の高容量化が必要となっている。 定置向けや自動車向けでは、正極にコバルトを用いる構成(LiCoO2)は難しいと考えら れている。これはそのエネルギー密度だけでなくコバルトが戦略物質と言えるレアメ タルであり、大量に使用するには価格面や供給面でリスクが大きいことも要因である。 NEDO 資料を元に Stepwest が一部追加。 Stepwest Corp Feb. 2014 29 エネルギー保存システム 30 そのため「３元系（NMC:ニッケル-マンガ ン-コバルト、NCA:ニッケル-コバルト-ア ルミニウム）」 「マンガン(Mn)系」「リン酸 鉄(FeP)系」等の正極材料への適用が進ん でいる。 なお、「マンガン系」や「リン酸鉄系」は、 エネル ギー密度では 「コバルト 系」や 「ニッケル系」に劣るが、コストや安全 性の面（温度が上がっても酸素を放出し にくい）では優れるとされている。 図 3-6 正極材料の過去の出荷推移 将来的には、エネルギー容量の大きな硫 （出典：フランスの調査会社の「avicenne energy 社」によ 黄(S)系の正極への適用が期待されている。 る） （ただし、電位は低くなる。） また、酸素（空気）は更にエネルギー容量の大きな正極材料である。（重さや体積が ゼロであるので、エネルギー密度(Wh/kg や Wh/L)が非常に大きい。） フランスの調査会社の「avicenne energy 社」による、2000 年から 2012 年までの正極材料 の出荷推移（トン）を図 3.6 に示す。コバルト系の正極材料は伸び悩み、三元系、マンガ ン系、リン酸鉄系が増えている。2012 年の時点では、LCO(コバルト系)がまだ 39%と多いが、 NMC や NCA の三元系が増えてきている。また、マンガン系も 18%程度を占める。なお、コバ ルト系はその多くがモバイル機器向けだと考えられる。 同じ調査会社による、2025 年ま での予想出荷量（トン）を、図 3.7 に示す15。 この予想では、 「３元系 （NMC:ニッケル-マンガンコバルト） 」が一番伸び、 その次は「リン酸鉄系」が 伸びるとなっている。 負極 現在、リチウムイオン二次 電池の負極に一番多く使わ 図 3-7 正極材料の今後の出荷予想 （出典：フランスの調査会社の「avicenne energy 社」に れている材質はグラファイ ト（黒鉛：人造、天然）である。 充電によりリチウムイオンが正極から負極に移動してくるが、リチウムイオンが負極 材料（炭素）と化学反応を起こす訳では無く、層状構造をとる負極材料の層間に挿入 される。 15 http://www.avicenne.com/pdf/The%20worldwide%20battery%20market%202012-2025%20C%20Pillot%20BATTERIES%202013%20Nice%20October%202013.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 エネルギー保存システム 右図は、人造黒鉛の写真である（日立ケミカルのウエブサイトより） 。 グラファイト（黒鉛）の最大理論容 量値は 372 mAh/g である。実際の製 品では 200mAh/g 程度であると思わ れる。 炭 素 系 で は 無 く 、「 チ タ ン 酸 化 物 (TiO2)」を負極に用いるリチウムイ オン二次電池も東芝により実用化さ れている。これは高速充放電が可能 ANODE ACTIVE MATERIALS 38 000 TONS IN 2012 で、安全であるという利点はあるが、 炭素系材料と同様に理論容量が小さ いという短所がある。 LIB Anode Materials 図 3-9 は、フランスの調査会社の 図 3-8 負極材料の推移 （出典：フランスの調査会社 avicenne energy avicenne energy 社の予想による、 社のグラフを元に Stepwest が日本語の注を追加） 陰極材料別の 2006 年から 2012 年までの出荷量（トン）の 実績である。天然黒鉛（天然グラファイト）が約 60%、人 造黒鉛（ソフトカーボン、ハードカーボン）が約 25%、メ ソフェーズやアモルフォス（非結晶）カーボン、チタン酸 リチウム、他が残りである。 The worldwide Battery market 2012-2025 Source: A. Jossen, IRES 2007 BATTERIES 2013 LIB Anode October 14-16, 2013 正極＋負極の組合せ Nice, FRANCE 1,2 Source: Hitachi Chemical 図 3-9 人造黒鉛（出 典：日立ケミカルのウエ ブサイトより） LIB Anode market, (Tons) Materials 50000 LTO 40000 1,0 Si or Sn Type 出荷中の自動車向けのリチウムイオン二次電池に限定した場合、正極・負極材料の選 30000 0,8 16 Amorphous Carbon 択は下表の様になっている。 0,6 Meso-Phase 0,4 この表で見る様に、正極にコバルト系を用いるリチウムイオン二次電池は大手の自動 10000 Tons 20000 0,2 車向けに関する限り、皆無である。 Christophe PILLOT + 33 1 47 78 46 00 [email protected] 16 Artificial Graphite 0 0,0 Natural Graphite 電荷の移動にリチウムイオンを使う限りに於いて全て「リチウムイオン二次電池」で 0 500 1000 1500 2000 2500 あるが、その特性はそれぞれ異なり、本レポートでは次節以降でそれぞれの特性を纏 Source: Sanyo, March 2011 める。 16 メーカー オートモー ティブエネ ジー サプライ リチウムエ ナジージャ パン ブルーエナ ジー 日立ビークル エネジー 東芝 パナソニック パナソニック （旧三洋電 機） 正極材料 マンガン 系 マンガン系 ３元系 マンガン系 マンガン系 ニッケル系 ３元系 負極材料 カーボン 系 カーボン系 カーボン 系 カーボン系 チタン酸 リチウム カーボン系 カーボン系 搭載車両 例 富士重工 「プラグイ ンステラ」 日産「リー フ」 マツダ 三菱自動車 「i-MiEV」 ホンダ「シ ビックハイ ブリッド」 GM - テスラ モデル S Audi 色々な資料を元に Stepwest が作成 Stepwest Corp Feb. 2014 31 エネルギー保存システム 各種公表資料を元に Stepwest が作成。 電極剤（正極・負極）の詳細は、添付資料を参照の事。 電解質の選択 「電解質」は電池の(1)入出力特性、(2)寿命、(3)安全性、(4)電圧に直接関わる電池の重 要な材質である。 電解質には下記が要求される ① ② ③ 広い温度範囲で高いリチウムイオン伝導性を示すこと。 電気的安定性(耐酸化性、耐還元性に優れ、広い電位窓を持つこと)。 化学的安定性(熱的安定性、活物質その他の物質と反応しないこと) 。 ④ 人体や環境への負荷が低いこと。 ⑤ 安価であること。 特にリチウムイオン電池の適用が期待される HEV（ハイブリッド車）や PHV（プラグインハ イブリッド車）では、加速時に電池（＋モーター）が用いられるため、高出力（一気にエ ネルギーを放出可能な事）が要求されるため、電解質には高いイオン導電性が要求される 。 そのため、 有機電解質よりもイオン導電性が低い有機(または無機)固体電解質を使用する 際は、薄膜化してイオン導電性を高くする必要があるが、一定の厚さ以下では正極と負極 の短絡に繋がるため、高い成膜技術が必要である。 また、有機系電解液は基本的に引火点を持つことから、リチウムイオン電池の本質的な安 全性向上のために、イオン液体電解質、有機固体(ポリマー)電解質、無機固体電解質等の 開発が望まれている。 セパレータ リチウムイオン二次電池の安全性確保はセパレーターに寄るところかも大きい。 微細な孔が開いている厚さ 25μm 程度の薄いフィルム(*)で作られる事が多いが、異物等 で短絡が起きる事がある（*:ポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）といった微多孔 性膜）。 異常な電池温度の上昇があった場合、セパレーターの収縮により内部短絡が発生するのを 防止するというシャットダウン機能17や、耐熱性に優れるセパレーターの開発が主要な要素 技術といえる。 最近では従来のセパレータの表面にセラミックス層を設けて，耐熱性を高める対策や、も ともと耐熱性が高いセルロースとポリエチレンテレフタレート（PET）を用いた不織布セパ レータを用いる方式が提案されている。 17 シャットダウン機能＝内部短絡した場合，微多孔性膜であるセパレータが溶解し，短絡した部分の孔をふさぎ，イオ ンの伝導を止められる機能のこと。 Stepwest Corp Feb. 2014 32 エネルギー保存システム コラム：「リチウム資源について」 リチウムは、白銀色の軟らかい元素であり全ての金属元素の中で最も軽く、比熱容 量は全固体元素中で最も高い。 リチウム元素は地殻中にわずか 0.002％しか存在しないレアメタルである。 リチウムは、現在世界の約 7 割のシェアを南米（チリ）の塩 で生産する既存メー カー3 社が占めている。 日本は、現在その全量を海外(チリ、中国、ロシア、 アメリカなど)からの輸入に依存しており、また産出 国が限られることから、政情などに価格が左右されて いる。 2011 年のリチウム鉱石の生産量を下記する。 1 位 チリ 12,600 トン 図 3-10 金属リチウム 2 位 オーストラリア 9,260 トン （出典：WikiPedia) 3 位 中華人民共和国 5,200 トン 4 位 アルゼンチン 3,200 トン コラム：グラファイトとグラフェンと CNT グラファイト（graphite、石墨、黒鉛） 負極に使われる事が多い黒鉛（グラファイト）は 右図の様な「層状」になっており、この層の間に 「リチウムイオン」が入り込む(インサーションす る)事が出来る。 グラファイトは炭素から成る元素鉱物で、六方晶 系で六角板状結晶である。 構造は、亀の甲状の層状物質で層毎の面内は、強 い共有結合（sp2 的）で炭素間が繋がっているが、 層と層の間（面間）は、弱いファンデルワールス 力で結合している。 それゆえ層状にはがれる（へき開完全）。 電子状態は、半金属的である。 図 3-12 グラファイトの構造 （出典：Stepwest 作成） グラフェン グラファイトが剥がれて厚さが原子一個分しかない単一 層となったもの。 金属と半導体の両方の性質を持つ。 カーボンナノチューブ(CNT) この原子１個分の層がチューブ状になった物が「カーボ ンナノチューブ(CNT)」 である。 図 3-11 カーボンナノ チューブ(CNT)の構造 （出典：WikiPedia） コラム：グラファイト/ソフトカーボン/ハードカーボンの違い リチウムイオン二次電池 の負極材料はその開発の過程で、下記の様に進化してい る。 第一世代 Stepwest Corp ： ハードカーボン Feb. 2014 33 エネルギー保存システム ハードカーボン（難黒鉛化性炭素）も、炭素六角網面が積層した層状構造をしてい るが、積層数が数層程度であり、結晶の広がりも小さく、それらがランダムに（立 体的に）配置され、その層間や結晶間にリチウムイオンが挿入/脱離される18。 ハードカーボンとは、樹脂などの原材料を焼成して炭素化した後、更に高温処理し ても黒鉛（グラファイト）になりにくい材料の総称。実際に黒鉛に比べて硬いとい う性質も持つ。 ソフトカーボンは、コークスなどの高温処理で黒鉛（グラファイト）になりやす く、しかも柔らかい。 1992 年頃にリチウムイオン二次電池がカムコーダーなど携帯機器向けの実用化され た時に最初に負極材料に用いられたのはハードカーボンであった。しかし、ハード カーボンは、放電量に比例する様に負極電位が上昇し、その結果出力電圧（正極電 位—負極電位）が低下すると言う問題があり、グラファイト（黒鉛）に置き換わって いったという歴史がある。19 近年、ハードカーボンの持つ下記の特徴が見直されている。 18 19 第二世代 ： グラファイト（黒鉛） 第三世代 ： グラファイト（黒鉛）、ソフトカーボン、チタン酸化物（現 在） 次世代 ： スズやシリコンの合金、炭素系のナノ構造(CNT 他) グラファイト（黒鉛）やソフトカーボン（易黒鉛化性炭素）は、多数の炭素六角網 面が積層した層状構造をなしており、この層間にリチウムイオンが挿入/脱離され る。 非常に硬い為にリチウムイオンを吸蔵した際に黒鉛（グラファイト）に比べて 体積変化が少ない（安全） リチウムイオンの吸収と放出が早い（急速充放電にむく） 低温にも強い（-40℃でも動作） 比容量が、黒鉛の 370mAh/g に対して 600mAh/g 以上 出力電圧が下がる問題点はあるが、使用方法で回避出来れば、ハードカーボンも次 世代向けに有力な負極材料である。 http://www.kureha-battery.co.jp/technology/ http://astamuse.com/ja/published/JP/No/2013232436 Stepwest Corp Feb. 2014 34 エネルギー保存システム 3.2.3.4. コバルト系リチウムイオン二次電池 リチウムイオン二次電池の原型である。 特徴 正極材料として、「コバルト酸リチウム（LiCoO2）」を、負極材料として「炭素系（グラフ ァイト等） 」を用いる。 1991 年に初めてリチウムイオン二次電池が製品化されて以来、この構造がマジョリティを 占めてきた。 モバイル機器向けの小型のリチウムイオン電池の多くは、今でもこの組合せを使う事が多 い。 前節のリチウムイオン二次電池の特徴の多くは、この組合せでの特徴をさす。 メリット デメリット 他の正極材料（例えばマグネシウム正極材料）に比べて、電圧（ 正極と負極の間の電位差）が 3.7V と大きい。 このため、エネルギー密度(Wh/kg)が大きくなる。 20 年間の実績がある。 コバルトが高価であり、また産出国が限られ、将来の供給不安が つきまとう。 過放電時に、正極のコバルトが溶出し、二次電池として使えなく なる恐れがある。 コバルト酸リチウムは、比較的低い温度(220℃近辺)で酸素を放 出し、発火の恐れがある。 今後の方向 この組合せを用いたコバルト系リチウムイオン二次電池は、モバイル機器向けに多く使わ れるが、低価格化／コモディティ化が急速に進み、アジア各国のメーカーによる製造が急 増している。 コバルト酸リチウム（LiCoO2）を用いた正極材料の容量密度は 160 mAh/g であり、マンガン 系等や三元系に比べると高い容量密度をもつので、小さな容積に多くのエネルギーを詰め 込む必要があるモバイル機器向けには今後も使われると思われる。 近年、安全性とコスト低減（コバルトを使わない）を図る為に、以下の節に述べる様に各 種の改良型リチウムイオン二次電池が使われだした。 2000 年代に頻発したモバイル機器での火災事故の反省から、製造時に誤って入った異物の 出荷前の検出や、より安全なセパレータや電解液の使用や、過放電や過充電にならないよ うなバッテリーセル管理技術が著しく向上し、安全性が向上した。 Stepwest Corp Feb. 2014 35 エネルギー保存システム 3.2.3.5. マンガン酸リチウムイオン二次電池 リチウムイオン二次電池の一種である。 正極材料として、「コバルト酸リチウム」では無く「マンガン酸リチウム」を用いる。 メリット デメリット 過充電状態でも結晶構造が変化しない。 出力密度が良い。（一気に放電出来る） マンガンは埋蔵量が豊富で市場価格が安く安定している。 寿命特性が悪い（ニッケル酸リチウムを配合することと電解液の 改良によってこの弱点を克服している）。 下記の会社がマンガン酸リチウムを正極材として採用している。 オートモーティブエナジーサプライ（AESC：日産＋NEC の合弁） 日立ビークルエネジー 東芝 リチウムエナジージャパン(GS ユアサ＋三菱系の合弁) 右の写真はニッサンリーフに採用されているラミネート型のセルでオートモーティブエナジーサ プライが生産しているが、NEC が生産するマンガン系正極が用いられている。20 マンガン系の正極はコバルト系に比べて下表のようなメリットがある21 マンガン系正極 コバルト系正極 出力密度 ◎ ○ エネルギー密度 ○ ◎ 過充電に対する安全性 ◎ △ 寿命 ○ ○ 主元素材料コスト ◎ △ 主元素環境への影響 ◎ △ 図 3-13 ラミネート型のマ ンガン系リチウムイオン二 次電池（オートモーティブ エナジーサプライ社ホーム ページより） 20 21 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1206/06/news104.html AESC のウエブサイトによる。http://www.eco-aesc-lb.com/randd/mnliion/ Stepwest Corp Feb. 2014 36 エネルギー保存システム 正極のマンガン酸リチウムは、層状構造では無く、スピネル構造（22）を取る場合が多いが、そ の特徴は下記である。 過充電でも安定している 一般的に、リチウムイオン二次電池では充電時に正極材からリチウムイオンが抜け出し、 負極材と結びつくが、この際に正極材料が構造的に不安定になる事がある。しかし、マン ガン酸リチウムはマンガンが「格子状」になった「スピネル構造」であるため、充電時に リチウムイオンが無くなった場合でも安定している。 これに比べて、ニッケルやコバルトは「層状構造」を取るため、リチウムイオンの出入り に際して、構造が不安定になる。 図 3-14 左がコバルト酸リチウム等の層状 構造。右がマンガン系のスピネル構造。リチ ウムイオンが脱離した際にも、結晶構造が安 定している （日産、NEC の発表資料より） 22 天然の鉱物（スピネル：MgAl2O4）に代表される AB2O4 型の無機化合物に多く出現する結晶構造。リチウムマンガン酸化 物系では、最も代表的な構造であり、マンガン酸化物の形成する骨格構造の隙間に、リチウムイオンのトンネル構造が３ 次元的に交差している。リチウムイオンの脱離・挿入反応に伴って、格子体積の変化が大きいことが問題とされている。 Stepwest Corp Feb. 2014 37 エネルギー保存システム 3.2.3.6. リン酸鉄リチウムイオン二次電池(LFP) リチウムイオン二次電池の１種である。 正極材料として、「コバルト酸(LiCoO2)」では無く、 「リン酸鉄(LiFePO4」 」を用いる。 正極材料にコバルトを使用する形式よりも資源的な制約が少なく、北米や中国を中心に近年シェ アを拡大している。 正極材料にコバルトを使用する形式よりも資源的な制約が少ない メリット 競合するコバルト酸リチウムイオン電池と比較した場合、放電できる電 流が多い。 単位体積あたりの蓄電容量がコバルト酸リチウムイオン電池よりも少な い。 多くのリン酸リチウムイオン二次電池は鉛蓄電池やコバルト酸リチウム デメリット イオン二次電池よりも低い放電率である。 リン酸鉄リチウムイオン二次電池はコバルト酸リチウムイオン二次電池 よりも電圧が低くエネルギー密度が低い。 リン酸鉄リチウムイオン電池の安全性 LiFePO4 を正極材料に使用した「リン酸鉄リチウムイオン二次電池」は、「コバルト酸リチ ウムイオン二次電池 LiCoO2」や、スピネル系マンガンを使用した「マンガン系リチウムイ オン二次電池」よりも熱的に安定しており、安全である。 これは、Fe-P-O の結合が Co-O 間の結合よりも強力だからである。その為短絡や過熱等でも 酸素原子が離脱するのは困難である。この酸化還元エネルギーの安定性はイオンの移動を 助ける。 また、800℃以上の異常な加熱下においても焼け落ちるだけである。LiCoO2 は、同様の条件 下において熱暴走する可能性があるのに対して、Fe-P-O の結合の安定性は危険性を減少さ せる。 Stepwest Corp Feb. 2014 38 エネルギー保存システム 3.2.3.7. ３元系リチウムイオン二次電池 リチウムイオン二次電池の一種である。 正極材料として、３つの元素の化合物を用いる。 「コバルト酸リチウム(LiCoO2)」に用いられる高価なコバルトを減らせるとともに、熱的に安定 させる事が出来るため、自動車向けに採用が拡大している。 2014 年時点では下記の２種類が量産されている。 略称 化学式 内容 MNC Li(NixMnyCoz)O2 ニッケル（Ni）、マンガン（Mn）、コバルト（Co） NCA Li(NixCoyAlz)O2 ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、アルミニウム（ Al） MNC に関しては、ニッケル（Ni）、マンガン（Mn）、コバルト（Co）の比率を、１：１：１にし た材料や、さらにコバルトを減らして 45：45：10 にした材料が実用化されている。23 三元系(MNC)の自動車用リチウムイオン二次電池は、パナソニック（三洋電機）が VW の HEV 向け に、ブルーエナジー（GS ユアサ＋ホンダ）がホンダの HEV 向けに量産している。 正極材料にコバルトを使用する形式よりも資源的な制約が少なく、北米や中国を中心に近年シェ アを拡大している。 コバルトを減らせるので安価 メリット 熱的に安定 デメリット 3.2.3.8. コバルトのみを用いた場合に比べて安定ではあるが、それでも火災 時における酸素の放出による燃焼が懸念されている。 チタン酸リチウムイオン二次電池(LTO) リチウムイオン二次電池の一種である。 負極に「チタン酸リチウム(LTO)」を使用する。24 前節までは、正極材料の改良版であったが、この電池は負極材料の改良である。 過去、リチウムイオン電池の性能向上に大きく貢献してきた炭素系負極は，理論的な限界 に近づいている。そのため，次世代の材料として合金系や酸化物系の研究が行われている 。 チタン酸リチウム(LTO)負極の良い点は、炭素系負極材料に比べ熱安定性に優れる事である 。 負極に炭素材料を使用したリチウムイオン電池では内部短絡が起こると、負極に一気に電 流が流れ、負極温度が急上昇する。しかし、酸化チタンは炭素と異なり、それ自身では電 23 http://www.m-kagaku.co.jp/products/productfield/battery/index.html 24 http://e2a.jp/interview/090716.shtml Stepwest Corp Feb. 2014 39 エネルギー保存システム 導性を持たないため、内部短絡が発生しても、急激に電流が流れることがない。このため 、負極の発熱反応は緩やかである25。 また体積変化が少なく、1.5 V vs. Li/Li+でリチウムで吸蔵・放出し、挿入・脱離の体積変 化が約１％である 反対に、負極電位が高いために電圧（正極電位−負極電位）が低くなり、エネルギー密度は 低くなる。 メリット デメリット 電解液の分解が起きない。 リチウム析出の恐れがない。 微粒子化できるので高入出力化が可能。 サイクル特性に優れる(電池の劣化も起きにくい。6000 回充放電を繰り返しても 、初期容量の 90％以上の容量を維持する)。 低温特性に優れる（寒冷地で性能が劣化しない）。 高速充電が可能。 充電状態の違いによる電圧変化が少ない。 電圧が低い(公称電圧は 2.4V。通常の Li イオン 2 次電池が 3.6V 程度なので，同 じ電圧を得るには 1.5 倍のセルが必要になる)。 エネルギー密度が低い。 高温での電解液分解が起きやすい。 炭素よりも高コスト。 主成分の酸化チタンというのは、絵の具や塗料などに使用されているセラミックスの一種である 。それをナノレベルの非常に微細な粉体に加工し電極材料に使用する。 東芝が下記の様に「SCiB」として商品化26し先行しているが、GS ユアサ社も活発に研究している 模様である27。 産業技術総合研究所と石原産業も新しいタイプの「チタン酸リチウム(LTO)」を開発・発表して いる28。 東芝の「SCiB」について 負極に「チタン酸リチウム」を採用した二次電池 の SCiB は、外部から力が加わり電池が押し潰さ れたり、電池内部を金属片が貫通したりするよう な事故が起きたとしても、破裂や発火することは なく安全性が高いと言う。29 25 26 27 28 性能 図 3-15 東芝が開発したチタン酸リチ ウムイオン電池（同社ホームページよ り） http://e2a.jp/review/090813.shtml http://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/fields/08_t35.htm http://www.gs-yuasa.com/jp/technic/vol4_2/pdf/004_2_036.pdf http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20101025/pr20101025.html 29 http://www.akihappy.sakura.ne.jp/lithium_batteries/chitan_suan_hua_wu_chitan_suanrichiumu_fu_ji_cai_liao.htm l Stepwest Corp Feb. 2014 40 エネルギー保存システム 20Ah 品の平均電圧は 2.3V。体積当たりのエネルギー密度は 176Wh/L。外形寸法は 103mm×115mm×22mm。 容積当たりの回生受入れ能力は常温で約 6000W/L、低温で約 1400W/L と高く、コンパ クトなサイズで大電流を受入れ、蓄電できる。 採用 東芝の SCiB はこれまで、高容量タイプのセル（20Ah）が三菱自動車工業の電気自動 車「i-MiEV」「MINICAB-MiEV」、ホンダの電気自動車「フィット EV」に採用されてき た。 現在、同セルが三菱自動車の EV「i-MiEV M」や「MINICAB-MiEV CD」にそれぞれ 10.5kWh、ホンダの「FIT EV」に 20kWh 搭載されている。この他、EV バス向けにも開 発を進めているという。 スズキの新型「ワゴン R」のアイドリング・ストップ機構に採用される。これは、 SCiB の持つ急速充電性能（高回生性能）や寿命の長さ（低温下など過酷な使用条件下 でも短絡や劣化の原因となる Li 金属の析出が発生しにくい）などが評価されたとい う。同セルを 5 個直列につないだ電池モジュールをデンソーが開発し、スズキに供給 。 ホンダが 10 年 12 月発売した業務用電動バイク「EV-neo（イーブイ・ネオ） 」に採用 した。 Stepwest Corp Feb. 2014 41 エネルギー保存システム 3.2.3.9. リチウムイオンポリマー二次電池 リチウムイオン二次電池の１種である。 前節までは、電極（正極／負極）の改良による違いであったが、本電池は電解質の改良である。 リチウムイオン二次電池の電解質に、液体の電解液では無く、ゲル状のポリマー(高分子30)を利 用したもの。 なお、厳密な定義が無いため、下記のような色々な種類がある。 ① 従来の電解液を、少量のポリマーを用いて擬固体化するもの（もっとも一般的な使い方） ② 活物質と電解質の全てに高分子（ポリマー）材料を使用したもの ③ 正負極に導電性高分子（ポリマー）のドープ・脱ドープに伴う酸化還元反応を利用して活 物質とするもの ④ 電解質に液体を用いず、純粋なポリマーと電解質塩の固溶体を用いるもの ⑤ 単に電池の外装材にアルミラミネートフィルムを用いただけでポリマー電池と称するもの （中国・韓国メーカーに見られる） 最も一般的な①のリチウムイオンポリマー二次電池の特徴を下表に纏める。 メリット デメリット 電解質が準固体状態であるため、液漏れしにくい。 金属の容器が不要なため、薄く出来る。 厚さ 1mm 程度の非常に薄い形状の電池や、箱型以外の任意の形状の電 池を作れる。 単位体積あたりに蓄えられるエネルギー量は、液体電解質に比べて 1.5 倍であり、同じ容積なら駆動の長時間化、同じ駆動時間なら小型軽量 化が可能である。 破壊しても電極の短絡に至る可能性が低く、例え短絡しても簡単に炎 上しない。 内部が液体ではないため、液体を利用する場合に比べ外力や短絡、過 充電などに対する耐性が大幅に向上しており、簡易な外装で済む。 単位体積あたりに蓄えられるエネルギーの量が大きくなり、同じ容積 なら駆動の長時間化、同じ駆動時間なら小型軽量化が可能になった。 液体電解質の代わりにゲル状のポリマー電解質を使用しているため、 一般的にはリチウムイオン伝導度が低く、充電時間が長い。 適用 モバイル機器（携帯電話、デジカメ、スマートフォン）向けに急速に採用が増えている。 アップル社の MacBook Air、iPAD、iPhone 等にはこのリチウムイオンポリマー二次電池が 使われている。31 一部のハイブリッド車や電気自動車に使われるリチウムイオン二次電池にも、このポリマ ー構造のセルが用いられだした。 30 ポリマーとは、重合体とも言い、複数のモノマー（単量体）が重合する（結合して鎖状や網状になる）ことによって できた化合物のこと。このため、一般的には高分子の有機化合物である。現在では、高分子と同義で用いられることが多 くなっている。 31 http://ja.wikipedia.org/wiki/MacBook_Air Stepwest Corp Feb. 2014 42 エネルギー保存システム 3.2.4. ニッケル水素二次電池 二次電池の一種で、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解液に「濃水酸化カリウム 水溶液 (KOH)」 を用いたものである。32 歴史 元々は、高出力、高容量、長寿命の人工衛星のバッテリーとして開発が進められていた。 当初はタンクに圧縮された水素を貯蔵していた。 1990 年の実用化以降、それまでの代表的な小型二次電池であったニッケル・カドミウム蓄 電池（略してニカド電池またはニッカド電池）の 2.5 倍程度の電気容量を持つこと、材料 にカドミウムを使用せず環境への影響が少ないこと、 電圧がニカド電池と同じ 1.2V で互換性があることが追 い風となり、代替が進んだ。 正極材料にニッケル、負極材料に水素の貯蔵も兼ねて 水素吸蔵合金であるミッシュメタルを使用している。 宇宙用等、一部では水素の貯蔵にタンクを用いる種類 もある。 だがその後、より大きな電気容量のリチウムイオン二 次電池が登場し、各種の携帯機器（携帯電話、デジタ 図 3-16 繰り返し充電可能なニッ ルカメラ、ノートパソコン等）で急速に置換えが進ん ケル水素電池（出典：パナソニック だ。 このため、ニッケル水素電池の日本における出荷数量 は 2000 年をピークに大幅に減少し、日本の主要メーカーは次々に撤退した。 社ホームページ） ハイブリッド車への採用 その一方で、「ニッケル水素二次電池」は安全性の高さからトヨタ自動車・本田技研工業 のハイブリッドカー(HEV)に採用された。 ハイブリッドカー向けの「ニッケル水素二次電池」は携帯機器よりはるかに大型であり、 出荷金額は 2003 年を底に回復した。 なおこの用途の「ニッケル水素二次電池」メーカーは三洋電機（現パナソニック）のほか プライムアース EV エナジー（パナソニックとトヨタ自動車の合弁）である。 なお、電気自動車(EV)向けは、エネルギー密度（バッテリーだけでどれだけの距離を走れ るか）が重要な要素であるため、リチウムイオン二次電池（コバルト系正極以外）の採用 が多い。 アイドリングストップ車への採用 ハイブリッド車ではないが、回生エネルギーを回収する車やアイドリングストップ機構を 有する車が増えている。 この際には、起動用の鉛電池以外に別の電池が必要になるが、鉛電池と同じ電圧を使える 事や、エンジンルームに置ける事よりニッケル水素電池の採用が増えている33。 メリット 32 33 繰り返し使える。 ニカド電池より容量密度が高い。 http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel–metal_hydride_battery http://car.watch.impress.co.jp/docs/news/20130215_587906.html Stepwest Corp Feb. 2014 43 エネルギー保存システム デメリット カドミウムを含まないため、ニカド電池より環境負荷が低い。 マンガン電池やアルカリ電池などの一次電池より、ランニングコストを下げられ る。 リチウムイオン電池よりも、高温環境で使える（エンジンルームに置ける）。 自然放電が多い。ただし eneloop 登場以降は状況が変わり、自然放電の少ない物 が増えている。 マンガン・アルカリ電池（1.5V）より電圧が低い（1.2V しかない）ため、機械的 に駆動する部品（モーターなど）を持つ機器（デジタルカメラ、CD プレーヤーな ど）では電圧が不足し、正常に利用できない場合がある。 ニカド電池ほど顕著ではないが、メモリー効果（現象）がある。 ニカド電池に比べて過放電に弱い。完全に放電してしまうと電池を傷めてしまう 。 リチウムイオン電池ほどではないが、破裂などの危険性が高い。ニカド電池専用 充電器でニッケル水素電池を充電すると、破裂することがある。ニカド電池との 充電器の共用は、ニカド・ニッケル水素両対応型の充電器でなければならない。 負極の水素吸蔵合金にレアアースのネオジウムを使用しているため、供給不安が あり、かつ価格低下の可能性が低い。 用途 デジタルカメラ、携帯音楽プレーヤー、一部のノートパソコン 一次電池の代替 ハイブリッド車、アイドリングストップ車 補足 三洋電機がパナソニックの子会社となることにより世界各国の競争法当局との協議により それぞれの事業の一部を第三者に譲渡する必要が生じ、三洋電機は三洋エナジートワイセ ル・三洋エナジー鳥取を FDK に売却、パナソニックはパナソニック EV エナジー（トヨタ自 動車との合弁、現在のプライムアース EV エナジー株式会社）の保有株を減らした。 乾電池型二次電池においては、「ニッケル水素二次電池」が従来のニカド電池に代わり主 流となっている。その理由として、「ニッケル水素二次電池」の「大電力・大電流時の放 電特性に優れる」「単純な回路で充放電が可能」「安全性が確立されている」といった特徴 の他、リチウムイオン電池が、特性および安全性の問題から乾電池型として不向き、BMS( バッテリーマネージメントシステム)が必要等で、普及に至っていないことが挙げられる。 コラム：パナソニック のアイドリングストップ車向け発表 34 パナソニックグループのエナジー社（三洋電機 エナジー社）は、「AABC 2013」（ 2013 年 2 月 4～8 日、米国 Pasadena）において、「ニッケル水素二次電池」を用い たアイドリング・ストップ車向けエネルギー回生システムについて講演した。 講演では、アイドリング・ストップ車の市場が 2012 年の約 1,100 万台から 2020 年 には約 4,800 万台に拡大すると予想されており、開発した回生システムの拡販が見 込めることを示した。34 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/EVENT/20130208/264931/?ST=print Stepwest Corp Feb. 2014 44 エネルギー保存システム 同社のシステムは、通常搭載している鉛蓄電池に「ニッケル水素二次電池」を組み 合わせて利用する。これにより、減速時に発生するエネルギーを「ニッケル水素二 次電池」に蓄電して再利用することで、燃費向上を図れる他、鉛蓄電池への負担が 減り、鉛蓄電池の寿命を延ばせる。 将来的には車載電装品だけでなく、駆動をアシストするスターター・モータへの電 力供給を実現することで、より一層の燃費向上につながるとみている。 3.2.5. 鉛蓄電池 正極（陽極板）に二酸化鉛、負極（陰極板）には 海綿状の鉛、電解液として希硫酸を用いた二次電 池である。 原理 正極・負極の双方から電解液中に硫酸イオ ンが移動することで充電され、電解液中の 硫酸イオンが正極・負極の双方に移動する ことで放電を行う。 図 3-17 鉛畜電池の構造（出典：電池工業会） 放電すると、硫酸イオンが正極・負極の双 方に移動するために電解液の比重は低下し、逆に充電すると上昇する。 なお、電解液の比重の変化は、放電時に正極で水が作られることも関係している。 メリット デメリット 公称電圧は単セルあたり 2 ボルトと、比較的高い電圧を取り出すことができ 、電極材料の鉛も安価であることから、二次電池の中では世界でも最も生産 量が多い。 短時間で大電流放電させたり、長時間緩やかな放電を行っても比較的安定し た性能を持ち、アルカリ蓄電池類の弱点であるメモリー効果は無い。 他の蓄電池に比べて大型で重く、希硫酸を使うために漏洩や破損時に危険が 伴う。 放電時に発生する硫酸鉛が結晶化するとサルフェーションと呼ばれる現象を 起こして充放電の容量を著しく低下させたり、極寒地では硫酸の濃度低下に 伴って電解液が凍結しやすくなり、場合によっては破裂する恐れがあるため 、満充電の状態を維持することが望ましい . 鉛蓄電池は人体や環境に有害な鉛や硫酸を含んでおり、一般の廃棄物として 捨てることができない。このため、電池工業会と各電池メーカーを中心に交 換用のバッテリーを販売した店が廃棄する鉛蓄電池を下取りするリサイクル 制度が整備されている。 廃棄された鉛蓄電池は、大きく分けて鉛・プラスチック・硫酸に分けられる が、硫酸以外は資源として価値が高いために、業者間では有価物として取引 されている。また、中国などへ輸出する業者も存在するが、バーゼル条約に 抵触する可能性もある。 用途 自動車のバッテリーとして広く利用されているのをはじめ、産業用として商用電源が途絶 えた時のバックアップ電源の用途や、バッテリーで駆動するフォークリフト・ゴルフカー トといった電動車用主電源などにも用いられている。 また小型飛行機用としても広く使われている。 Stepwest Corp Feb. 2014 45 エネルギー保存システム Stepwest Corp Feb. 2014 46 エネルギー保存システム 3.2.6. フロー電池 フロー電池とは二次電池の一種で、イオンの酸化還元反応を溶液のポンプ循環によって進行させ て、充電と放電を行う流動電池である。35 レドックス・フロー電池と呼ばれる事もある。レドックス（redox）は reduction（還元）-oxidation（酸化） reaction の短縮表現で酸化還 元反応の事である。 歴史 1974 年、NASA が基本原理を発表し、1980 年代に研究が進み特許出 願が進んだ。 バナジウムや臭化亜鉛を用いたフロー電池が実用化されはじめた が、普及はこれからである。 上記以外の溶液を使う電池の開発も進んでいる。 図 3-18 住友電工が 開発したレドックス フロー電池（出典： 同社ホームページ） 特徴 重量エネルギー密度(Wh/kg)が、リチウムイオ ン二次電池の 1/5 程度と低く、小型化には向か ない。 しかし、サイクル寿命が 1 万回以上と長く、実 用上 10 年以上利用できる。 さらに構造が単純で大型化に適するため、 1,000 kW 級の電力用設備として実用化されて いる。 使用元素 図 3-19 バナジウムレドックスフロー電池 （出典：WikiPedia) 当初は鉄イオンとクロムイオンを使う「鉄 - クロム系」が主だったが、次第に両者が混合 し容量が低下する問題があった。 その後開発が進んだ「バナジウム系」では 1 種類の元素だけを用いるため容量低下が起こ らず、実用化に至った。 バナジウムをオキソ酸ではなく単原子イオンとして保持すべく、 対イオンには硫酸イオンが用いられている。 また、臭素イオンを用いて重量エネルギー密度を倍増させる研究も行われている。 後述の様に(臭化亜鉛 Zinc bromide36)を用いたフローバッテリーが既に米国では設置され ている。 メリット 室温で作動するため熱源は特に必要としない。 燃焼性・爆発性の物質を使用・発生せず、先行して実用化されたナトリウ ム・硫黄電池(NaS 電池)より安全性で優れている。 イオン種によっては化学反応を伴わないため溶液の組成が変化しにくく安 35 http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium_redox_battery 臭化亜鉛：不燃性であるが、分解点以上に熱すると臭素と酸化亜鉛に分解する。潮解性があり、水との接触により発 熱する。皮膚への腐食性があり、吸入あるいは眼に入ることにより、粘膜を損傷する。経口摂取した場合には腹痛や嘔吐 、昏睡、麻痺などの症状が生じることがある 36 Stepwest Corp Feb. 2014 47 エネルギー保存システム デメリッ ト 定性も高い。 設備も、大部分が一般的な機器で構成できるうえ、繰り返し充放電で長寿 命を期待できる。 レアメタルなどの希少資源の必要性も低い。 電池容量を増すには、ほぼ溶液のタンクを増設するだけですむため、大型 設備に適している。 水溶液を使用するため、水の電気分解が生ずる電位が制限となり、エネル ギー密度を上げることができない。 大型化は容易だが小型化は困難。 溶液温度が上昇すると支障があるため冷却装置が必要。 日本企業 住友電気工業 日本では、1985 年（昭和 60 年）から開発 を進めていた住友電気工業株式会社が 2000 年（平成 12 年）ごろから製品の販売を開 始した。大型化に適しているため、電力貯 蔵用設備として日間負荷変動の平準化や瞬 時低電圧（瞬断）対策、風力発電の発電力 均等化などが主な用途である。 図 3-20 住友電工が同社内に設置したフロー電 池（出典：同社ホームページ） 同社は 2012 年（平成 24 年）7 月に同社横浜製作所で蓄電容量 5 MWh（容量 1MW×5 時間） のレドックスフロー電池と集光型太陽光発電装置を組み合わせたメガワット級大規模蓄発 電システムの実証運転を開始した。 米国企業 米国では、DoE の補助金やベンチャーキャピタルからの出資を得て、フローバッテリーを開発し ている会社が何社かある。量産化はまだ先であるが、下記にその数社を取り上げる。 ⑴ ⑵ Imergy Power Systems (旧社名 Deeya Energy Inc.) Imergy Power Systems は 2004 年に設立され、エネルギー 貯蔵システムの開発・製造を行っている。 同社は，カリフォルニア州 Fremont に本社を構え、インド の Gurgaon にも拠点がある。 レドックス・フロー電池の発案者として知られる元 NASA の Lawrence Thalle 氏が技術顧問として参画している。 同社の特許技術 L セル（Liquid Cell）を使用したレドッ クス・フロー電池は，NASA によって開発された電池技術 を基盤にした Fe/Cr 系であり，それを適用した無線基地局 図 3-21 Deeya Ebergy 社の フロー電池（出典：同社ホー 向けでの数 kW 級の製品を開発している。 同社の製品は，他社と違い 5～ 50 ℃の温度環境でも使用 ムページ） できる。 また，重金属を使わず有毒ガスを発生しない環境に優しいリサイクル材を使用している。 Ashlawn Energy, LLC37 37 http://www.ashlawnenergy.com Stepwest Corp Feb. 2014 48 エネルギー保存システム Ashlawn Energy, LLC はバージニア州 Alexandria を拠点とした再生可能エネルギーやピ ーク電力管理用のエネルギー貯蔵システムを提供している。 同社のレドックス・フロー電池のブランド名は VanChargTM で b アナジウムを用いる。 米国エネルギー省からのプロジェクトを獲得し，1 MW/8 MWh 級システムの検証を行って いる。 ⑶ Primus Power Primus Power は，2009 年に設立され，カリフォルニ ア州 Hayward を拠点とする。 亜鉛・臭素を使用したフロー電池を開発している。 同社の技術は，80 年代に Electric Power Research Institute が取り組んだ研究活動が基盤になっている 。 同社は，フロー電池対応の安価な金属電極の研究に取 り組むと同時に，金属の大量製造で一般的な製造工程 を採用し開発を行っている。 同社は，米国エネルギー省の助成金を受けているばか 図 3-22 Primus Power 社が設置した りではなく，既存投資機関からの資金も調達しており フロー電池、25MW/75MWh の容量を持 ，カリフォルニア州 Modesto 地区でフロー電池ファ つ（出典：報道資料） ームの建設中（右の写真）である。 同施設では 25 MW/75 MWh の電力貯蔵を見込んでいる。 ⑷ Premium Power Corporation Premium Power Corporation は，2002 年に設立され， マサチューセッツ州 North Reading に本社を置く。 同社は，独自の Zinc-Flow® 先端エネルギー貯蔵技術を 基盤にした亜鉛臭素のフロー電池を生産している。 その製品は世界で最もコストの低いグリッドスケールの フロー電池であるという。 また，同社は米国エネルギー省のスマートグリッド地域 実証採択プロジェクトに参加しており，ユティリティ・ 図 3-23 Premium Power 社の グリッド利用に向けた先進的フロー電池の実証を行って フロー電池（出典：報道資 いる。 38 料） (5) Sun Catalytix MIT のスピンアウト。 ５キロワットのプロトタイプを開発中。 １キロワット時(1kWh)あたり 300 ドルのシステム（リチウムイオン二次電池の半分程度） を 2015 か 2016 年に行う事を目標に開発を進めている。 特 徴 は 廉 価 な 素 材 を 使 え る 事 。 電 解 液 は 金 属 リ ガ ン ド （ 金 属 ・ 配 位 子 結 合 39 metals combined with ligands）を用いることにより、設計の自由度が増えるとの事。 １5 年間の寿命が目標。 (5) Prudent Energy 40 中国にあるフローバッテリー開発製造会社。 キロワットクラス(8.4kW/基)とメガワットクラス（250kW/基 x40 基=10MW）を出荷中。 これまでで最大の設置は中国国内で 2012 年に設置した 2MW(8MWh)の施設。 下表に米国に設置されているフロー電池の一覧を示す。 状況 38 39 40 元素 定格出力 持続時間 国 http://m.technologyreview.com/news/519316/startup-shows-off-its-cheaper-grid-battery/ http://ja.wikipedia.org/wiki/配位子 http://www.pdenergy.com/# Stepwest Corp Feb. 2014 49 エネルギー保存システム 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） （建設中） バナジウム バナジウム 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 600 kW 250 kW 60 kW 25 kW 25,000 kW 500 kW 250 kW 250 kW 125 kW 100 kW 25 kW 25 kW 25 kW 6 時間 8 時間 2 時間 30 分 2 時間 3 時間 2 時間 2 時間 4 時間 3 時間 20 分 3 時間 2 時間 2 時間 2 時間 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 下表に米国以外の国に設置されているフロー電池の主な物を示す。 状況 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 （建設中） （建設中） （建設中） Stepwest Corp 元素 バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム 臭化亜鉛 バナジウム 臭化亜鉛 臭化亜鉛 バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム バナジウム 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 臭化亜鉛 定格出力 4,000 kW 3,000 kW 2,000 kW 1,000 kW 500 kW 400 kW 200 kW 120 kW 100 kW 100 kW 90 kW 50 kW 50 kW 45 kW 15 kW 10 kW 5 kW 3 kW 1,000 kW 25 kW 25 kW 持続時間 1 時間 30 分 16 分 4 時間 5 時間 2 時間 1 時間 15 分 8 時間 2 時間 30 分 2 時間 5 時間 2 時間 2 時間 2 時間 6 時間 40 分 8 時間 10 時間 12 時間 2 時間 40 分 2 時間 2 時間 2 時間 国 日本 日本 中国 日本 中国 インドネシア ドイツ オーストリア 韓国 オーストリア オーストリア スペイン 韓国 インド デンマーク イタリア ポリトガル ニュージーランド フレンチポルネシア オーストリア ロシア Feb. 2014 50 エネルギー保存システム 3.2.7. アルカリ金属・硫黄電池 リチウム二次電池よりさらに高容量の定置用途向けの二次電池と して、アルカリ金属を負極、硫黄(S)を正極としたアルカリ金属硫黄電池が注目されている。 最適化された条件下では、硫黄(S)原子 1 個につきリチウムイオ ン 2 個を吸蔵することが可能。このため硫黄は、その軽量性から 優れたエネルギー貯蔵材料であると言える。 正極に使われる「硫黄」は理論容量が 1,670mAh/g 程度であり、 従来のリチウム二次電池の正極活物質である LiCoO2( 約 140mAh/g)より理論容量が 10 倍程度高いと共に、低コストで資源 が豊富であるという利点がある。 ただし、硫黄には導電性が低いという性質もあり、これは充放電 時の電子の移動が難しいことを意味する。 図 3-24 ナトリウム硫黄電池 (NaS 電池）の構造（出典：日本 ガイシ社ホームページ） 負極に使われるアルカリ金属としては、ナトリウム、リチウム等がある。下記に記述する「ナト リウム硫黄電池(Na-S)」は量産出荷中であるが、「リチウム硫黄電池(Li-S)」は実用化にはまだ 時間がかかると思われる。 3.2.7.1. ナトリウム・硫黄(NaS)電池 ナトリウム・硫黄電池（sodium-sulfur battery）とは、負極にナトリウムを、正極に硫黄を、 電解質にβ-アルミナを利用した高温作動型二次電池である。ナトリウムと硫黄を溶融（高温で ドロドロに溶かす）状態で用いる。電解質は反対に固体であ る。 NAS 電池（なすでんち）または NAS（なす）とも呼ばれる。 特に大規模の電力貯蔵用に作られ、昼夜の負荷平準などに用 いられる。 仕組み 図 3-25 米国で設置されている日 本ガイシ社製の NaS 電池 （出典：同社ホームページ） 活物質であるナトリウムや硫黄を溶融状態に保ち、βアルミナ電解質（固体）のイオン伝導性を高めるために高温（約 300～350℃）で運転され る。 負極の溶融ナトリウムは、β-アルミナとの界面で Na+に酸化され電解質を通って正極に移 動する。正極では Na+が硫黄によって還元されて五硫化ナトリウム(Na2S5)となる。 メリット Stepwest Corp 従来の鉛蓄電池に比べて体積・重量が 3 分の 1 程度とコンパクトなため、揚水発 電と同様の機能を都市部などの需要地の近辺に設置できる。 出力変動の大きな風力発電・太陽光発電と組み合わせ出力を安定化させたり、需 要家に設置して、割安な夜間電力の利用とともに、停電時の非常時電源を兼用で きる。 構成材料が資源的に豊富。 エネルギー密度が高い（鉛電池の約 3 倍）。 電解質が固体のため自己放電がなく、エネルギー効率が高い。 長寿命（15 年以上）。 可動部分がなく保守が容易。 完全密閉型で排ガスや騒音が出ない。 Feb. 2014 51 エネルギー保存システム デメリッ ト 常温では動作しないため、ヒーターによる加熱と放電時の発熱を用いて、作動温 度域（300℃程度）に温度を維持する必要がある。 充放電特性が比較的長い時間率(6～7 時間)で設計されている。 また現状では、一定期間内に満充電リセットの必要がある。 火災事故を起こした場合、通常の水系の消火薬は金属ナトリウムと反応してしま うため使用できない（乾燥砂等を用いる）。このため一般の消防署等では火災へ の即応が難しい。 設置 2014 年時点で量産事業化しているのは、日本ガイシ(NGK)のみである。 同社ホームページによれば、2003 年に量産開始して以来、2013 年末の段階で、世界 6 カ国 に合計 174 カ所、約 305MWh 設置。41 用途も当初は変電所、工場、下水処理場などがメーンだったが、その後、国内／海外を問 わず数々の太陽光発電所や風力発電所に導入している。 DOE のデータベースによる、米国に於けるナトリウム・硫黄電池の設置状況を下記する。全 米で９カ所、合計出力は 16MW である。 プロジェクト名 稼働中 稼働中 稼働中 PG&E Yerba Buena Battery Energy Storage Pilot Project PG&E Vaca Battery Energy Storage Pilot Project Milton NaS Battery Energy Storage System 出力 (kW) 持続時間 （時:分） 4,000 7 時間 2,000 7 時間 2,000 7 時間 12 分 2,000 7 時間 12 分 州 国 Californi a Californi a West Virginia 米国 米国 米国 稼働中 Churubusco NaS Battery Energy Storage System Bluffton NaS Energy Storage System 2,000 7 時間 12 分 Ohio 米国 稼働中 Long Island Bus BESS 1,000 7 時間 米国 稼働中 Charleston Energy Storage Project 1,000 6 時間 稼働中 Japan-US Collaborative Smart Grid Project 1,000 6 時間 修理中 Wind-to-Battery MinnWind Project 1,000 7 時間 New York West Virginia New Mexico Minnesota 稼働中 Indiana 米国 米国 米国 米国 米国以外でのナトリウム・硫黄電池設置されている主な施設を下表に纏める。日本の青森県の六 ヶ所村の施設が、日本ガイシ社製の NaS 電池を７基設置しており、世界最大である。 稼働中 六ヶ所村 出力 (kW) 34,000 青森県 日本 稼働中 稚内メガソーラー 1,500 7 時間 12 分 青森県 日本 稼働中 福岡風力発電施設 1,200 6 時間 福岡 日本 稼働中 Younicos and Vattenfall Project 1,000 6 時間 ベルリン ドイツ 稼働中 Reunion Island Pegase Project 1,000 7 時間 12 分 フランス 稼働中 BC Hydro Energy Storage 1,000 6 時間 30 分 Reunion ブリティ ッシュコ プロジェクト名 41 持続時間 （時:分） 7 時間 州 国 カナダ ちなみに NAS 電池は日本ガイシの登録商標である。 Stepwest Corp Feb. 2014 52 エネルギー保存システム ロンビア 主なプレイヤー 日本ガイシ 上記の様に、2013 年までに合計で３００MWh のシステムを出荷した。 住友電工 2014 年春までにナトリウムイオン電池のサンプル出荷を始める。 大阪市内に専用の生産ラインを設け、省エネ住宅や電気自動車（ＥＶ）向けの納入を 目指す。同社は 2016 年度にも量産に乗り出す。 10 億円強を投資して大阪製作所に専用のクリーンルームなどを設けた。板状のナトリ ウムイオン電池（約 11 センチメートル×14 センチ×４センチ）をつくり 発火事故 日本ガイシの NaS 電池が、日本国内で 2 件の発火事故を起こしたが、原因究明に 約半年間かかり、その期間世界中で同シ ステムを運用している事業者に操業見合 わせを依頼し、大きな問題となった。 2011 年 9 月 21 日午前 7 時 20 分ごろ、日 本ガイシが製造し、三菱マテリアル筑波 製作所に設置された東京電力所有の NAS 電池で 2 例目となる火災事故が発生した 図 3-26 NaS 電池の構造 セルの一つが発火し延焼したと言う （出典：日本ガイシ社ホームページ） が、こちらは普及タイプの製品だったた め急遽全納入先事業者に連絡を取り「NAS 電池利用の蓄電システムの使用停止」を要請、代替システムを持たない事業者には「運転 中の厳重監視」付きでの継続使用をやむをえず認めた。 第三者による事故調査委員会の火災原因究明報告と事故対策がまとまるまで、日本ガイシ は NAS 電池の生産を当分停止する事となったが、2012 年 6 月から操業を再開した 事故原因は、製造不良の単電池が溶融し、それが隣接する単電池→モジュール全体→隣接 するモジュールへと延焼していったことにあった。 Stepwest Corp Feb. 2014 53 エネルギー保存システム 3.3.化学的エネルギー貯蔵 3.3.1. 水素を用いたエネルギー貯蔵 水素を電力貯蔵媒体として用いる方法である。 方法 電力網上の余剰電力（夜間等）、または再生可能エネルギー（風力発電や太陽光発電）を用 いて、電気分解で水素を製造し、液化または圧縮する。 電力が必要な時に、電気分解の逆過程の「水素発電(Fuel Cell)」を用いて発電し、再び電 力に変換する。 水素発電では、水が生成されるだけで廃棄物が出ない。 再生可能エネルギー（風力や太陽光）を水素の製造に使う場合、利用 メリット 可能なときだけ行えばよいので、電力の平準化になる。 Fuel Cell を用いた自動車(FCV)が２０１５年を目処に商品化される ので、それに合わせたインフラ整備が進む可能性がある。 電気分解で水素を製造して液化または圧縮し、それを再び電力に変換 する場合、エネルギーの損失がある。 デメリット 水素の形で運搬するには、圧縮・液化する施設以外にも各種のインフ ラが必要。 経済性 1kg の水素を製造するには約 50kWh（180MJ）の電力を必要とする。 アメリカ合衆国ではピーク時以外の電気料金は kWh 当たり約 0.03 ドルであり、1kg の水素 を作るのに 1.50 ドルの電気を必要とする。 アメリカで 1.50 ドルぶんのガソリンを自動車で使った場合、1kg の水素を使った燃料電池 と走行可能距離がほぼ同じとなる。 水素ガスから電力を作るには、水素ガスを圧縮または液化し、Fuel Cell 発電施設まで輸送 する必要があり、これらのコストは小さいとは言えない。 なお、水素ガスを 200 バールまで圧縮するのに要する電力量は圧縮する水素のエネルギー 量の 2.1%である。 実証実験 ニューファンドランド島の南岸にある小さな島 (Ramea) で、2007 年から 5 年間の計画で風 力発電機と水素発生装置を使った実験が行われている。 同様のプロジェクトはノルウェーの小さな島 (Utsira) でも 2004 年から継続中である。 ドイツで動き始めた再生可能エネルギー電力の水素貯蔵42 42 ドイツ最大手の電力会社 E.ON は再生可能エネルギーで発電された電力を水素に変換 し、天然ガスパイプラインへ圧入して貯蔵する試験設備を建設。 貯蔵された水素は電力が必要な時に天然ガスと共にガスタービン発電の燃料として使 用される。 http://eneken.ieej.or.jp/data/4976.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 54 エネルギー保存システム 3.4.電気的エネルギー貯蔵(キャパシタ) 3.4.1. 電気二重層キャパシタ 電気二重層コンデンサ（Electric double-layer capacitor、EDLC）は、電気二重層という物理 現象を利用することで蓄電量を高めたコンデンサ（キャパシタ）である。43 充放電による劣化は少なく、10 万 - 100 万回程度の充放電サイクルが可能だと考えられて いる。44 電気二重層キャパシタはウルトラ・キャパシタ（Ultracapacitor）やスーパー・キャパシ タ（Supercapacitor）とも呼ばれる。 電気二重層キャパシタは、後述のリチウムイオンキャパシタとともに、急速な充放電が可 能な特性から、自動車のアイドリングストップ時の始動、ブレーキをかけた時のエネルギ ー回収行うための蓄電デバイスとして使われる。 キャパシタでは 2 枚の電極間に電解質を含む溶液を入れ、充電放電に伴い電解質中の陰陽 イオンがそれぞれ別の電極に物理的に吸脱着する。 メリット デメリット 内部抵抗が低く短時間で充放電が行なえる 化学反応を必要としないため充電と放電の反応が早く、内部抵抗も少ないた めに、大電流での充放電が行なえる。 熱暴走を起こさず、安全性が極めて高い 充放電による劣化が少ないので製品寿命が長い 高価な素材（コバルト、リチウム等）は要らない 電圧が低い 自己放電によって時間と共に失われる電気が比較的多く、蓄電出来る時間は 短い 充放電時に電圧が直線的に変化するため、使用に伴って電圧値が下がって行 く。（右下図参照。１がキャパシタの、２がバッテリーの容量の時間経過を 示す。） 価格が比較的高い 適時に完全放電が必要になる 特徴 耐電圧が低く、充電出来る電圧は最高でも 3V 程度となるた め、高電圧が必要なら直列接続が必要となる。充放電サイ クルで並列接続と直列接続を繰り返すと二次電池のメモリ 効果のように充電可能な容量が減るので、適時に完全放電 が必要になる。 2013 年現在の高性能電池であるリチウムイオン二次電池の エネルギー密度、300 - 500Wh/L(18650 セルで 200Wh/kg 程 度)と比べれば、電気二重層コンデンサは 2 - 10 Wh/L 程度 しかなく、数十倍の能力差がある。 リチウムイオン二次電池の技術を取り入れたリチウムイオ ン・キャパシタ（次節）は、エネルギー密度が 10-30 Wh/L 程度に向上する。 図 3-27 上がキャパシタ ー、下がリチウムイオン二 次電池（WikiPedia より） 43 http://ja.wikipedia.org/wiki/電気二重層キャパシタ 電気二重層キャパシタは陽極と陰極の 2 つの電極を持つが、この 2 つが二重層という名前の元となった訳ではなく、両 極それぞれの表面付近で起こる物理現象である「電気二重層」が元となっている。 44 Stepwest Corp Feb. 2014 55 エネルギー保存システム レアメタルのように将来コスト高となる可能性がある素材の使用は求められていないが、 電極の加工に手間がかかって高価格となっている。 マーケット 高エネルギー密度の電気二重層キャパシタは、携帯機器等用の小型のものから、コピー機 、プリンターの予熱電源用の中型のものと、幅広い分野での省エネルギー化用途で使われ ることが期待されている。 さらに、自動車・鉄道等の大型のものでは、回生電源としての用途の他、ハイパワーの蓄 電デバイスを必要とするハイブリッド自動車用電源として、大きな市場が見込まれ、省エ ネルギーと高出力（加速の良さ）に貢献することが期待される。 アイドリングストップ車への採用も拡大している。 日本ケミコン45 「CEATEC JAPAN 2013」（2013 年 10 月 1～5 日、幕張メッセ）において、ホンダの「フ ィット」のアイドリング・ストップ車に採用された電気 2 重層キャパシタを披露した 。フィットでは、ガソリン・エンジン車に電気 2 重層キャパシタを用いたアイドリン グ・ストップ機構を標準装備している。 日本ケミコンの車載向け電気 2 重層キャパシタ「DLCAP」は既に、マツダの「アテン ザ」と「CX-5」の一部に採用されており、ホンダのフィットに続いて、2013 年 10 月 に予約を開始するマツダの「アクセラ」への適用が決まっている。 フィット向けの電気 2 重層キャパシタは、1500～1600F の円筒型セル 6 本を直列に接 続したモジュールを採用している。 電圧は 15V とみられる。マツダの場合は 1200F の円筒型セル 10 本を直列に接続し、 電圧は 25V だった。そのため、モジュールで蓄電可能な容量は、マツダの方が大きい 。セル自体はフィット用は外形を若干大きくしているという。 トヨタ自動車 「第 65 回フランクフルトモーターショー（2013 年 9 月）において、電気 2 重層キャ パシタを搭載して「YARIS HYBRID-R」を初披露した。 トヨタ自動車は、「キャパシタは加速の際、エクストラ・パワーとして使うことがで きる」と搭載の理由を説明した。 トヨタ自動車では、レーシングマシン「TS030 HYBRID」に電気 2 重層キャパシタを採 用、加速性能を高めている実績がある。 マツダ 45 2012 年 11 月に発売した新型「アテンザ」に、キャパシタを使った減速エネルギの回 生システム「i-ELOOP」を採用した。 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/EVENT/20131001/306645/ Stepwest Corp Feb. 2014 56 エネルギー保存システム 3.4.2. リチウムイオンキャパシタ リチウムイオンキャパシタ(LIC)とは、一般的な電気二重層キャパシタ(EDLC)の原理を使いなが ら、負極材料として、リチウムイオン吸蔵可能な炭素系材料を使い、そこにリチウムイオンを添 加することでエネルギー密度を向上させたキャパシタである。 性能的にエネルギー密度は低いが、エネルギー出力が極めて高く、瞬発力が高い。この特性を利 用して、リチウムイオン二次電池と組合せて車載に採用する事例が増えてきた。（減速・停止時 の回生エネルギーを一時的に溜めて、始動・加速に用いる。） 構造 正極と負極の原理が異なる非対称キャ パシタである。 「リチウムイオン二次電池の負極」と 「電気二重層の正極」を組み合わせた 構造になっており、正極が電気二重層 を形成し物理的な作用で充放電するの に対し、負極はリチウムの化学反応に よって充放電する。 従来のキャパシタに比べてエネルギー 密度が高いのは、この負極のプレドー ピングによって負極の静電容量が増大 されていることが大きく起因している 。 エネルギー密度の向上 図 3-28 リチウムイオンキャパシター(LIC)の 位置付け（出典：JM エナジー社のホームページ より） (エネルギー密度（容量密度）が縦軸になってい るので注意のこと) リチウムイオンキャパシタ(LIC)はセルの電圧と負極の静電容量が増加するため、従来の電 気二重層キャパシタ(EDLC)と比較してエネルギー密度に関して優れている。 従来のキャパシタの電圧は 2.5V から 3V 程だが、リチウムイオンをあらかじめ負極にドー プすること（リチウムプレドープ）によって 4V 程度まで上昇させることができる。 セル 内のエネルギーは電圧の 2 乗に比例するため、この電圧上昇分により、エネルギー向上に 大きく寄与できる。 また、リチウムをプレドープされた負極は、従来の電気二重層キャパシタで主に使用され ている活性炭と比べて数十倍程度の静電容量を保有している。 結果、セル内の全体の静電容量理論上最大 4 倍にまで増加し、その分セルのエネルギーは 高まることとなる。 これらの要因により、リチウムイオンキャパシタ (LIC)は通常の電気２重層キャパシタ (EDLC)と比較してセルのエネルギーを飛躍的に高めることが可能。 リチウムイオンキャパシタには、下記の特徴がある。 従来の電気二重層キャパシタと比較してエネルギー密度が良い。 リ チ ウ ム イ オ ン 二 次 電 池に 比 べ る と 、 エ ネ ル ギ ー密 度 (Energy Density)は悪いが出力密度(Power Density)は良い。 電流の出力密度、寿命、メンテナンスは電気二重層と同等に良い メリット 。 自己放電が小さい。 リチウムイオン二次電池と比べ、熱暴走を起こしにくく安全性が 高い。 Stepwest Corp Feb. 2014 57 エネルギー保存システム デメリット 電気二重層と比べ、高温特性に優れる。 価格が高い。 下限電圧に制限がある。 過放電が進むとセルが劣化するため、電圧監視のための制御回路 が必要となる。 低温特性が電気二重層キャパシタと比較して悪い。 リチウムイオン二次電池と比較するとエネルギー密度が悪い。 下記に「リチウムイオンキャパシタ」と「電気二重層キャパシタ」と「リチウムイオン電池」の 比較を示す。（出典：JM エナジー株式会社のウエブサイト46） 評価項目 エネルギー密度 出力密度 充電性能 内部抵抗 低温特性 高温特性 保守性 寿命 安全性 短絡 コスト 46 リチウムイオンキャパシタ 電気二重層キャパシタ リチウムイオン二次電池 △ 中程度（高出力時は高い） ○ 高い ○ 秒単位の充放電が可能 ○ 低抵抗 △ 抵抗がやや上昇 ○ 広い使用温度範囲 ○ メンテナンスフリー ○ 長寿命 ○ 安全 △ 寿命低下要因となるが安全 △ 高出力×高エネルギー 分野において安価 × 低い ○ 高い ○ 秒単位の充放電が可能 ○ 低抵抗 ○ 低抵抗 × 使用温度範囲が狭い ○ メンテナンスフリー ○ 長寿命 ○ 高い（特に低出力時） × 低い（急速充放電が苦手） × 充電に時間を要する × 高抵抗 × 大幅な抵抗上昇 × 使用温度範囲が狭い × 保守管理が不可欠 × 短寿命 安全 危険性が懸念（発熱・発火） ○ 短絡に強く安全 △ 高出力×低エネルギー 分野において安価 × 短絡に弱く、危険 △ 低出力×高エネルギー分野 において安価 JM エナジー株式会社のウエブサイトより（http://www.jmenergy.co.jp/product_compare.html） Stepwest Corp Feb. 2014 58 エネルギー保存システム 3.5.力学的エネルギー貯蔵 3.5.1. 揚水発電 揚水発電（PSH : Pumped-storage hydroelectricity）は、夜間などの電力需要の少ない時間帯 の余剰電力を使用して、下部貯水池（下池）から上部貯水池（上池ダム）へ水を汲み上げておき、 電力需要が大きくなる時間帯に上池ダムから下池へ水を導き落とすことで発電する水力発電方式 である。 発電だけを目的とする発電所というよりも、電力需要・供給の平準化を狙う蓄電を目的した、ダ ムを用いる巨大な蓄電池、あるいは蓄電所と言うべきものである。 エネルギー効率、巨大電力貯蔵、設備寿命などの各種要素のバランスの点で、現在のところ大規 模な電力貯蔵に最適な方法方法であると言える。 現時点での世界中の蓄電能力の約 90%は揚水発電による貯蔵物である。 揚水発電は世界的にも行われているが、狭い国土に比較的山地が多い日本では特に普及した蓄電 方法である。 蓄電効率 蓄電池としてみた場合、損失は 30%程度である。 即ち、発電する電気量に対し、水を汲み上げるために消費される電気量がおよそ 30%割増と なるため、その点効率の悪い発電様式とも言える。 効率が良いとはいえないが、現実的に大容量を持ちうる手段が他に無いため、電力におい ては最大の蓄電池として活用されている。 大容量の蓄電が可能 発電開始や最大出力までの時間が短い メリット 出力調整が容易 これらより電力供給の平準化に適している。 100%の揚水電力に対して、70%程度の効率で発電が出来る。 蓄電池としてみた場合、損失が多く(-30%)効率が良いとはいえない デメリット 工事期間が長い 立地に制約がある 設置規模 2010 年で、ワールドワイドで揚水発電を用いて 127GW のエネルギー貯蔵が可能である。 ヨーロッパでは揚水発電で 38.3GW のエネルギー貯蔵が可能で、これは WW(ワールドワイド) の発電量の 36.8%に相当する。なお、ヨーロッパ全体の水力発電能力は 140GW であるので、 その 27%が揚水型となる。この揚水発電能力はヨーロッパ全体の総発電能力の 5%を貯蔵で きる事になる。 米国では 23.4GW(計画分を含む)の揚水発電能力があり、これは WW(ワールドワイド)の揚水 発電の 10.6%に相当する。 WikiPedia47によると、2009 年時点で、WW の揚水総蓄電量は 104 GW、これは WW の全ての方 式による蓄電量の合計 127 GW の８１％となる。 米国に於ける揚水発電蓄電量は米国に於ける揚水発電が可能な水力発電所のリストを下記 する。 47 http://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity Stepwest Corp Feb. 2014 59 エネルギー保存システム 米国における最大の揚水発電所は、バージニア州にある Bath County Pumped Storage Station で、約３ギガワットの蓄電能力がある。 図 3-29 （再掲） 米国に於ける蓄電容量とその技術別内訳（計画分を含む） （出典：DoE の 2013/12 レポート） 最新技術 「可変速揚水発電システム」は、揚水運転時に一定速度・一定電力での運転しかできなか った従来の揚水発電システムに対し、回転速度を変えることによって電力を俊敏に変化さ せ、電力系統の周波数調整を行うことができる。 特に、新たに開発した「電力優先制御方式」は、電力応動が非常に早く、周波数調整能力 に優れている。 Stepwest Corp Feb. 2014 60 エネルギー保存システム 海水揚水発電所48,49,50 山岳地帯に上池と下池を建設するには立地上の困難が伴い、建設コストも高く、また生態 系の破壊に繋がる為、新規の揚水発電所の建設は困難となっている。この対策として、近 年海水揚水発電所が建設されだした。 下図は沖縄やんばる海水揚水発電所である。沖縄本島北部に位置し、上部調整池に海水を 汲 み 上 げ 、 最 大 使 用 水 量 26 ｍ 3/s 、 海 面 と の 有 効 落 差 136 ｍ を 利 用 し 、 最 大 出 力 30,000kW(30MW)を得る世界初の海水揚水発電所である。 調整池を満水にすると、30,000 キロワットの出力を 6 時間継続できる。 調整池の底と水車とを結ぶ水圧管路には、海水に腐 蝕されにくく、また、海生生物が付着しにくい FRP 管が使用されている。水車は、海水に腐蝕されにく いオーステナイト系ステンレス鋼でできている。 発電所と国頭郡大宜味村にある沖縄電力大保変電所 との間は、延長約 18 キロメートルの送電線（66,000 ボルト、1 回線）で結ばれている[1]。 JPOWER が 1991 年より建設工事を開始し、1999 年に 建設完了後、5 年間の実証試験運転を経て、2004 年 から発電運転を行っている。 図 3-30 沖縄やんばる海水揚水発 電（出典：JPOWER 社ホームページよ り） 米国での揚水発電設置量 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 状況 稼働中 稼働中 修理中 プロジェクト名 Bath County Pumped Storage Station Ludington Pumped Storage Raccoon Mountain Pumped Storage Plant 出力(kW) 時間 （時:分） 1,872,000 10 時間 18 分 8 時間 1,652,000 22 時間 3,030,000 州 Virginia 米国 Michigan Tennesse e Californ ia Californ ia Californ ia 米国 米国 (契約済) Eagle Mountain Project 1,300,000 不明 稼働中 Castaic Pumped-Storage Plant 1,247,000 10 時間 1,212,000 不明 1,160,000 不明 New York 米国 1,095,000 不明 Georgia 米国 1,080,000 不明 Massachu setts 米国 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 Helms Pumped Hydro Storage Project Blenheim-Gilboa Pumped Storage Power Project Rocky Mountain Hydroelectric Plant Northfield Mountain Pumped Storage Hydroelectricity Facility 稼働中 Muddy Run Pumped Hydro Storage 1,070,000 不明 稼働中 Bad Creek Pumped Hydro Storage 1,065,000 不明 Pennsylv ania South 米国 米国 米国 米国 米国 48 http://www.jpower.co.jp/news_release/news092.html 49 http://www.jpower.co.jp/yambaru/ 50 http://ja.wikipedia.org/wiki/沖縄やんばる海水揚水発電所 Stepwest Corp Feb. 2014 61 エネルギー保存システム Carolina (計画中) Eldorado Pumped Storage 1,000,000 (計画中) Maysville Pumped Storage Edward Hyatt (Oroville) Power Plant 1,000,000 10 時間 20 分 8 時間 819,000 不明 Jocassee Pumped Hydro Storage 710,000 不明 600,000 6 時間 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 (計画中) 稼働中 稼働中 稼働中 Bear Swamp Hydroelectric Power Station Richard B. Russell Pumped Storage Fairfield Pumped Storage Lake Elsinore Advanced Pumped Storage Seneca Pumped Storage Generating Station Taum Sauk Hydroelectric Power Station San Luis (William R. Gianelli) Pumped Storage Hydroelectric Powerplant Nevada 米国 Kentucky Californ ia South Carolina Massachu setts 米国 米国 米国 米国 米国 600,000 不明 Georgia 511,200 6 時間 58 分 500,000 12 時間 440,000 不明 South Carolina Californ ia Pennsylv ania 440,000 8 時間 Missouri 米国 424,000 298 時間 Californ ia 米国 米国 米国 米国 稼働中 Yards Creek Pumped Storage 400,000 6 時間 稼働中 Cabin Creek Generating Station Silver Creek Pumped Storage Project John W. Keys III Pump-Generating Plant Salina Pumped Storage Project Carters Dam Pumped Storage Smith Mountain Pumped Storage Project Lewiston Pump-Generating Plant Wallace Dam Pumped Storage Mount Elbert Power Plant Big Creek (John S. Eastwood) Pumped Storage 324,000 4 時間 300,000 8 時間 300,000 80 時間 260,000 250,000 不明 不明 New Jersey Colorado Pennsylv ania Washingt on Oklahoma Georgia 247,000 不明 Virginia 米国 240,000 208,000 200,000 不明 不明 12 時間 17 時間 40 分 米国 米国 米国 稼働中 Hiwassee Dam 185,000 不明 New York Georgia Colorado Californ ia North Carolina (計画中) Prineville Pumped Storage 150,000 8 時間 12 分 Oregon 米国 120,000 不明 97,000 不明 Californ ia Arizona 58,000 不明 Missouri 米国 50,000 不明 Arizona 米国 45,000 不明 Arizona 米国 40,000 8 時間 (計画中) 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 修理中 稼働中 稼働中 稼働中 (修理中) 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 Thermalito Pumping - Generating Plant Horse Mesa Pumped Hydro Storage Clarence Cannon Dam Pumped Storage Mormon Flat Pumped Hydro Storage New Wadell Dam Pumped Hydro Storage Olivenhain-Hodges Storage Project 199,800 稼働中 Rocky River Pumped Storage Plant 29,000 不明 稼働中 DeGray Lake Pumped Hydro Storage 28,000 不明 稼働中 O'Neill Powerplant 25,200 不明 稼働中 Flatiron Powerplant 8,500 不明 Stepwest Corp Californ ia Connecti cut Arkansas Californ ia Colorado 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 米国 Feb. 2014 62 エネルギー保存システム 米国以外にある揚水発電施設の主な物を下記する。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 状況 稼働中 稼働中 (建設中) プロジェクト名 Huizhou Pumped Storage Power Station Guangzhou Pumped Storage Power Station Hongping Pumped Storage Power Station 出力(kW) 時間 （時: 分） 2,448,000 不明 2,400,000 不明 2,400,000 不明 Jiangxi 中国 ウク ライ ナ スペ イン 州 Guangdon g Guangdon g 中国 中国 (建設中) Dniester Pumped Storage Power Station 2,268,000 不明 Chernivt si Oblast 稼働中 La Muela pumped-storage plant 2,000,000 不明 Valancia 1,932,000 8 時間 Hyōgo 日本 1,880,000 不明 Nagano 日本 1,836,000 不明 Zhejiang 中国 1,820,000 不明 Isère フラ ンス 1,800,000 不明 Anhui 中国 稼働中 (建設中) 稼働中 稼働中 (建設中) Stepwest Corp Okutataragi Pumped Storage Power Station Kannagawa Pumped Hydro Plant no.3 - 6 Tianhuangping Pumped Storage Hydro Plant Grand'Maison Dam Pumped Storage Power Plant Jixi Pumped Storage Power Station Feb. 2014 63 エネルギー保存システム 3.5.2. 圧縮空気エネルギー貯蔵 (CAES) 圧縮空気貯蔵システム(CAES: Compressed Air Energy Storage)とは、夜間等の電力が余ってい る際にコンプレッサで圧縮した空気を地下空洞・タンクに貯蔵しておき、昼間等の電力が必要な 際に、圧縮空気を解放する事で発電機を廻す。 または、圧縮空気を燃料とともに燃焼させ、ガスタービンを回して発電することにより、ガスタ ービンの発電効率を向上させる。 特徴 貯蔵していた圧縮空気を使用するので、発電時ではタービンの出力がすべて発電に使用さ れる。（通常のガスタービンでは発電出力の一部をコンプレッサの動力に廻す。） 通常のガスタービンに比べて２倍以上の電気出力を得ることができる。 同じ発電出力を得るために必要な天然ガスや石油などの化石燃料は、逆に約 1／3 に飾約さ れる。 揚水発電や LNG 複合火力より、ワットあたりのコストが低くなる 可能性がある。 負荷平準化に有効な技術として、欧米ではすでに実績があり、信 メリット 頼性が高い。 発火や爆発等の危険性が無い 大型化が容易 長寿命 起動・停止に要する時間は 20～30 分とやや長い。 デメリット 構造上、装置が大型化してしまうため、立地条件に制約がある。 海外での設置例 欧米では貯槽用空洞として気密性の高い 地下空間を利用し、低コストで建設され、 既に 20 年ほど商業規模で利用されている。 （日本では比較的軟質岩盤が多いため、 地下貯槽の建設が難しい。 ） ドイツのフントルフ発電所（290MW、1978 年） アメリカアラバマ州のマッキントッシュ 発電所（110MW、1991 年） どちらのプロジェクトも、溶解採鉱法で 岩塩を取り除いたタンクのような空洞に 空気を貯蔵している。 図 3-31 圧縮空気蓄電装置の概念図（出典：サ ンディア国立研究所のホームページ） 発電効率 上記の２カ所の CAES プラントでは、地上に噴き出た空気を天然ガスで加熱、体積や速度を 増加させてタービンを回す。すなわち、圧縮空気そのもので発電している訳では無く、厳 密には電力貯蔵単独の機器ではないため、効率などの評価には注意が必要である。 ガスタービン発電機の燃料の約 3 分の 2 が空気の圧縮に消費されることから、効率は約 50 パーセントと言われている。 研究開発 Stepwest Corp Feb. 2014 64 エネルギー保存システム 圧縮空気貯槽建設の低コスト化が必要となる。 水封式：硬質岩盤のある場所で地下水の圧力で空気の漏れを防ぐ。⇒神岡鉱山にて実証実 験 立て杭方式：軟質岩盤で鋼管を利用し、空洞を建設する。 地下の空洞を用いずに、なんらかのタンクを用いる。 日本での実証実験 海外の事例では、地下貯槽空洞は岩塩層内に建設されているが、岩塩層は日本国内には少 なく、国内で CAES の実用化を図るためには、地下貯槽空洞の機密機能を図る必要がある。 電力中央研究所では、水封方式（空洞周辺の地下水により漏気を防ぐ方式）を提案し、神 岡鉱山内で水没していた旧坑道を利用して、トンネル形式の実験用貯槽空洞を建設し、実 証実験を実施している。 SustainX 社51 米ニューハンプシャー州レバノンにある 2007 年設立のベンチャー企業52 ダートマス・カレッジのセイヤー工科大学院の技術者によって創設 圧縮空気を利用したエネルギー貯蔵のための実用規模の転 換技術を開発 電気を利用してシリンダー内部のピストンを駆動すること によって空気を圧縮する。高圧縮空気は地上の管に貯蔵さ れる。その後エネルギーに変換するために、このシステム は貯蔵された空気を使用して同じピストンを駆動、代わり に発電機を動かす。 圧縮および膨張の際に空気をほぼ一定の温度に保つために、 温度ないしは圧力などシリンダー内部の状態の計測利用を 図 3-32 SustainX 社の圧 縮空気蓄電装置（出典：同 社ホームページ） 対象としている。空気温度を制御する一つの方法は、シリ ンダーを通じて水を吹きかけることである。ほぼ一定（「等温」）の空気温度を維持するた めに、SustainX は圧縮空気のエネルギー貯蔵の効率性を著しく向上させている。 DOE からの補助金の他、大手の VC から出資を受けている 同 社 の 変 換 エ ネ ル ギ ー 貯 蔵 技 術 は ICAES （ 商 標 、 Isothermal Compressed-Air Energy Storage）と呼んでいる。 LightSail 社 カリフォルニア州バークレーにあるスタートアップ会社53 Bill Gates, Total(France), Khosla Ventures 初め、著名大手が資金を出している。 密度の高い霧状の水分を圧縮空気のタンク内にスプレーするというやり方で、空気の圧縮 中に発生する熱が水分に吸収される。 51 52 53 http://www.sustainx.com http://prw.kyodonews.jp/opn/release/201103225321/ http://wired.jp/2012/07/05/danielle-fong/ Stepwest Corp Feb. 2014 65 エネルギー保存システム この水分は、空気（気体）にくらべてはるかに効率よく熱を保存することができる。さら に、この霧状の水分のおかげでライトセイルのプロトタイプでは、エネルギーの保存や回 収が従来の装置に比べてずっと容易にできるという。 米国における圧縮空気蓄電施設 米国における圧縮空気蓄電施設のリストを下記する。稼働中が３カ所で合計 113 メガワットの出 力能力がある。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 状況 プロジェクト名 方式 出力 (kW) 持続時間 （時:分） 州 国名 (計画中) Apex Bethel Energy Center Compressed Air 317,000 105 時間 Texas 米国 (計画中) Pacific Gas and Electric Company Advanced Underground Compressed Air Energy Storage 稼働中 McIntosh CAES Plant (計画中) Next Gen CAES using Steel Piping 稼働中 Texas Dispatachable Wind 稼働中 (建設中) SustainX Inc Isothermal Compressed Air Energy Storage Alliant Techsystems (ATK) Launch Systems Demonstration Project 米国 In-ground Compressed Air Storage 300,000 10 時間 Californ ia 110,000 26 時間 Alabama 9,000 4 時間 30 分 New York 2,000 250 時間 Texas Modular IsoThermal Compressed Air Storage 1,500 1 時間 New Hampshir e Modular Compressed Air Storage 80 45 分 Utah 出力 (kW) 持続時間 （時:分） 州 321,000 2 時間 Elsfleth Germany 290,000 3 時間 Huntorf Germany 200,000 5 時間 350 7 時間 In-ground Natural Gas Combustion Compressed Air Storage Modular Compressed Air Storage In-ground IsoThermal Compressed Air Storage 米国 米国 米国 米国 米国 米国以外で圧縮空気を用いた蓄電施設の一覧は下記である。 最大は、ドイツの 321MW のシステムで、2 時間持続出来る。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 状況 プロジェクト名 稼働中 Kraftwerk Huntorf 稼働中 Huntorf CAES Plant （建設 中） Adele CAES Project 稼働中 l Highview Pilot Plant Stepwest Corp 方式 In-ground Natural Gas Combustion Compressed Air Storage In-ground Natural Gas Combustion Compressed Air Storage In-ground IsoThermal Compressed Air Storage Liquid Air Energy Storage 国名 SachsenGermany Anhalt Berkshir United e Kingdom Feb. 2014 66 エネルギー保存システム 3.5.3. フライホイール フライホイール・バッテリー（Flywheel-battery）とは、エネルギーの保存方法の 1 つであり、電気が持つ エネルギーを一時的に回転運動の物理的エネルギーに変換することで保存しておき、後ほど電気が必要な時 に回転運動から発電によって電気を得るものである。 フライホイールの適用 車でフライホイールを利用して、ドライバーがブレーキを踏むと回転してエネルギーを貯蔵し、車両 が加速するときにそのエネルギーを放出する。 グリッドに繋ぎ、短い時間内の電圧の変化を吸収し、周波数変動を抑える（アンシラリーサービス） 無停電電源装置としての利用 円盤を超高速回転させ電気エネルギーを回転の運動エネルギーとして貯蔵し、瞬間停電時には回転の 運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、電源を供給するタイプの無停電電源装置がある。 内蔵バッテリーを持たないので、バッテリー交換などのメンテナンスが不要となるメリットがある。 特徴 単純な構造であり長寿命で保守が簡単 低温時の性能劣化がない 貯蔵エネルギー量が容易に判る 事故発生時に特別な安全対策が求められる 容量は少なて良いが、瞬発力が求められる所に使われる。 「スーパーキャパシタ」や「リチウムイオンキャパシタ」と同じジャンルである。 構造 真空ポンプによって真空に保たれた格納容器の中に、フライホイール（ローター）とモーター兼発電 機が 1 本の軸で自由に回転できるように取り付けられている。 容器を真空に保つのは、フライホイールの回転抵抗を低くするためである。また、軸受けにも非接触 型の磁力軸受けなどを採用することで、回転による抵抗を軽減している。 磁気軸受けには保守の手間を軽減するという利点もある。 材質 フライホイールは比強度（材料強度を密度で割った値）の高いものが求められるため、炭素繊維強化 樹脂（CFRP）のような材質が使用される。 モーター兼用の発電機はギャップを広めにとった強力な永久磁石を備えたブラシレス・モーターが使 われる。モーター兼用の発電機は格納容器の外のインバーターに電線で接続され、充電時と放電時に はこれらが逆に働き、他の電池と同様に電気エネルギーを蓄えることができる。 試作例 本田技術研究所 34.7 kg の本体重量で 2.5 万回転／分から 5 万回転／分程度の回転速度で 250Wh のエネルギー を保存して、最大出力 15 kW を生み出した。 充放電効率は 93%以上でエネルギー密度は 7.2 Wh/kg、出力密度は 432 W/kg であった。 比較として、日産ディーゼル（当時、現「UD トラックス」）社製のキャパシタ・ハイブリッド 中型トラックでは、エネルギー密度は 6 Wh/kg、出力密度は 600 W/kg であったので、ほぼ同等 であると云える。 Stepwest Corp Feb. 2014 67 エネルギー保存システム ビーコンパワー（Beacon Power） 下図の様に電力網に繋がるフライホイールの開発製造で実績があるが、2013 年に経営難に陥り Chapter 11 を申請。 テンポラルパワー カナダ・オンタリオ州 石油・天然ガス採掘におけるディーゼルエンジン発電機向け の補助電源などで実績を積み重ねている ウイリアムズハイブリッドパワー社（英国）54 F1 マシンに適用。 （親会社は F1 で有名な会社）55 F1 は、2009 年シーズンからレースマシンにフライホイール を搭載することを認めており、急加速が必要な際に、短時間 馬力が追加できるようになっている。 ポルシェ・911 GT3 R ハイブリッドに提供したほか、2012 年 にアウディがル・マン 24 時間に投入した R18 e-tron クアト ロにも提供。同年のル・マン 24 時間レースで総合優勝を飾 った。56 のろのろ運転の都市交通車両、特にブレーキをよく使う大型バスや配達トラックなどに理想的 に適合すると考えている。バスの燃料消費が 20％低減されるので、バス会社はフライホイール ・システムへの投資は 5 年間で回収できるだろうと語る。バスの使用期間は通常 18 年である。 ウィリアムズは、ゴー-アヘッド・グループ PLC が運営する 6 台のロンドン・バスで実地試験を 始めている。また、ジャガー・ランドローバーPLC に協力しており、ジャガーC-X75 プラグイン ・ハイブリッド・スーパーカーにはフライホイール・システムが搭載されている。 図 3-33 Beacon 社のフライホイ ールの内部構造（出典：DoE） 上記以外にも下記の会社がフライホイールの開発を行っている。 Amber Kinetics Vycon Active Power (http://www.activepower.com/) Vycon (http://www.vyconenergy.com/) Caterpillar Flywheel UPS (http://www.stowerscat.com/products/electric-powersystems/caterpillar-flywheel-ups/) Powerware Flywheel UPS (http://www.42u.com/powerware-flywheel-ups.htm) PCI (http://www.pciups.com/products.htm) CM Technololgy (http://www.keyitec.com/keyitec-flywheel.html) KST Rotary Solutions (http://kst-rs.com/index.htm) Precise Power Corporation (http://www.precisepwr.com/Default_Home2.asp?bhcp=1) PowerThru (http://www.power-thru.com/) フライホイール蓄電設備 米国でのフライホイールをグリッドに接続した蓄電施設を下表に纏める。57 最大は、ニューヨーク州に設置された 20MW のシステムで、15 分間持続出来る。 （前ページの写真） 54 55 56 57 http://www.williamshybridpower.com/#%2Fnews%2Farchives http://ja.wikipedia.org/wiki/ウィリアムズ F1#F1.E4.BB.A5.E5.A4.96.E3.81.AE.E6.B4.BB.E5.8B.95 http://2010.f1.topnews.jp/2010/02/12/news/f1/teams/williams/9514.html http://www.energystorageexchange.org/projects Stepwest Corp Feb. 2014 68 エネルギー保存システム （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 稼働状況 稼働中 稼働中 (建設中) 稼働中 (契約完) プロジェクト名 Beacon Power 20 MW Flywheel Frequency Regulation Plant (Stephentown, NY) Beacon Power 20 MW Flywheel Frequency Regulation Plant (Hazle Township, PA) LA Metro Wayside Flywheel Energy Strorage System San Ramon Beacon Flywheel Energy Storage System Amber Kinetics Flywheel Energy Storage Demonstration 出力 (kW) 稼働時間 州 国名 20,000 15分 New York 米国 6,000 15分 Pennsylvan ia 米国 2,000 15秒 California 米国 100 15分 California 米国 10 1時間 California 米国 米国以外でフライホイールを用いた蓄電施設の一覧は下記である。 最大は、まだ建設中であるが、ドイツの 524MW のシステムで、6 秒間持続出来る。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 稼働状況 プロジェクト名 出力 (kW) 稼働時間 稼働中 ASDEX-Upgrade Pulsed Power Supply System 524,800 稼働中 JET Fusion Flywheel 稼働中 (建設中) (契約完) 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 稼働中 (建設中) Stepwest Corp Institute of Plasma Physics (IPP) Flywheel System Clear Creek Flywheel Wind Farm Project NRStor Minto Flywheel Energy Storage Project Lanzarote PowerStore Flywheel Project Leinster Nickel Operation PowerStore Flywheel Project Kalbarri Wind Farm Project PowerStore Flywheel Project Coral Bay PowerStore Flywheel Project Marble Bar PowerStore Flywheel Project Ross Island PowerStore Flywheel Project Flores (the Azores) PowerStore Flywheel Project Graciosa (the Azores) PowerStore Flywheel Project La Gomera PowerStore Flywheel System Smart ZAE Flywheel Project 州 国名 6秒 Munchen ドイツ 400,000 30秒 Oxfordshire 英国 70,000 3秒 Prague チェコ 5,000 3.6秒 Ontario カナダ 2,000 9秒 Ontario カナダ 1,600 16秒 Lanzarote スペイン 1,000 36秒 Western Australia オースト ラリア Western Australia オースト ラリア Ross Island オースト ラリア 36秒 Western Australia オースト ラリア 36秒 Western Australia ニュージ ーランド The Azores ポルトガ ル The Azores ポルトガ ル 1,000 500 500 500 500 500 （時:分） 36秒 36秒 36秒 36秒 500 36秒 Canary Islands スペイン 100 1分 Midi Pyrenées フランス Feb. 2014 69 エネルギー保存システム Stepwest Corp Feb. 2014 70 エネルギー保存システム 3.5.4. スキーリフト方式のエネルギー貯蔵 揚水発電と似た考えであるが、水の代わりに石（や重いもの）を用いる。揚水発電は水源地に上 池、下池の確保が必要であり、立地に制約があり、また近辺の生態系に影響を与える為に新規の 増設が困難となっている。 そのため、同じ考えかたで、重力 （位置）エネルギーを用いて蓄電 する。即ち、電力が余っている際 に重量物をより高い場所に移動さ せ、電力が不足する際にその重量 物をリフトに乗せて下降させて発 電器を動かす。 充電：電力に余裕のある時にこれ らの重量物をリフトで高い所に持 ち上げる。 放電：電力が必要になった際に、 これらの重量物をリフトに載せ、 その重み（重力）で発電機を動か す。 1. 図 3-34 電気の余力のある時に重量物を持ち上げるリフト （出典：Energy Cache 社のホームページ） Energy Cache 社(58)は、既にリフ ト１基のパイロットプラントを作成しデモを行っている この会社には Bill Gates も出資し、発明者に名前を出している。 こちら59で、デモの映像を見る事が可能。60 58 59 60 http://www.energycache.com http://www.youtube.com/watch?v=G3nz_kU604s&feature=youtu.be http://gigaom.com/2012/03/27/the-story-of-energy-cache-a-drop-dead-simple-energy-idea/ Stepwest Corp Feb. 2014 71 エネルギー保存システム 72 3.6.熱的エネルギー貯蔵 「熱」と言うエネルギー形態で、電気エネルギーを保存 する方法である。61 英語では、Thermal energy storage (TES)とも言う。 太陽熱発電施設に併設されるケースが多い 太陽熱発電施設は太陽光を多くの鏡で集光し、そ の焦点にある物質を温めその熱で発生させた水蒸 気で蒸気タービンを回転させる発電方式である。 この発電では昼間に太陽熱の一部を蓄熱する事で 夜間も発電可能となる。 この方式は太陽光・風力発電などの、出力が変動 する発電と蓄電池を組み合わせて夜間に給電する システムと比べ安価という利点があるため、地中 海沿岸諸国、アメリカ、オーストラリア、中国等 で実用化を目指した開発がなされている。 図 3-35 スペイングラナダ近郊の太 陽熱発電所に付随する溶融熱蓄熱設備 50MW を 7.5 時間蓄電可能 （出典：WikiPedia） 蓄熱材料 単位重量当たりの比熱や融解潜熱が大きい「アルカリ金属ハロゲン系」や「オキシ酸 塩系の溶融塩」が使用されている。 イタリアシチリア島のシラクサ近くで2010年7月に運用を開始したアルキメデス太陽 熱発電所ではKNO3（40%）-NaNO3（60%）溶融塩1300トンを蓄熱材とし、290°Cの溶融 塩を540°Cに昇温する時の顕熱として、80MWhthのエネルギーを蓄熱する。これは同 発電所の7時間分の発電エネルギーに相当する。 米国において稼働中または建設中の蓄熱発電施設のリストを DoE のデータベースより転載する。 最大は、Solana Solar Generating Plant の 280MW(継続時間：6 時間)である。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 稼働状況 稼働中 稼働中 稼働中 プロジェクト名 Solana Solar Generating Plant Nevada Solar One Solar Power Plant Pennsylvania ATLAS (Aggregated Transactive Load Asset) 分類 出力(kW) 継続時間 州 国 蓄熱 280,000 6 時間 Arizona 米国 蓄熱 72,000 18 分 Nevada 米国 蓄熱 2,010 5 時間 Pennsylvania 米国 稼働中 Holaniku at Keahole Point 蓄熱 2,000 2 時間 Hawaii 米国 稼働中 VCharge Maine ATLAS (Aggregated Transactive Load Asset) 蓄熱 300 5 時間 Maine 米国 稼働中 VCharge Concord Pilot 蓄熱 175 5 時間 Massachusetts 米国 (建設中) Rice Solar Energy Project 蓄熱 150,000 8 時間 California 米国 (建設中) Crescent Dunes Solar Energy Project 蓄熱 110,000 10 時間 Nevada 米国 61 http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_energy_storage Stepwest Corp Feb. 2014 エネルギー保存システム また、米国以外の国において稼働中または建設中の蓄熱発電施設のリストを DoE のデータベース より転載する。最大は、まだ建設中であるが、チリの太陽熱発電所付随の施設で、360MW を 10 時間半貯蔵可能である。 （出典：DOE の蓄電プロジェクトリスト） 稼働状況 (建設中) (建設中) プロジェクト名 Pedro de Valdivia CSP Solar Plant NOOR I (Ouarzazate) CSP Solar Plant 継続時間 （時: 分） 10 時間 30 分 分類 出力(kW) 蓄熱 360,000 蓄熱 160,000 3 時間 州 国 Antofagasta Region Chile Souss-MassaDrâa Negev Morocco (アナウン ス) Ashalim 2 Solar Power Plant 蓄熱 110,000 4 時間 30 分 (建設中) KVK Energy Solar Project 蓄熱 100,000 4 時間 Rajasthan India (建設中) Diwikar CSP Plant 蓄熱 100,000 4 時間 Rajasthan India (建設中) KaXu Solar One 蓄熱 100,000 3 時間 (アナウン ス) Xina Solar One Power Plant 蓄熱 100,000 5 時間 Stepwest Corp Northern Cape Province Northern Cape Province Israel South Africa South Africa Feb. 2014 73 エネルギー保存システム 4. 「次世代二次電池」(2020 年量産ターゲット) 以下に、2020 年前後の量産を目標に改良・試作が進められている「次世代二次電池」について 記述する。 まだこえなければいけない壁は多い物の、4〜5 年内には量産化の目処がたちそうな技術である。 「次世代二次電池」の目標のエネルギー密度は、18650 セル換算で 300Wh〜400Wh/kg である。 （なお、2014 年の 18650 セルの実績は 220Wh/kg 程度である。 ） 4.1.次世代リチウムイオン二次電池 現在上市されている各種の「リチウムイオン二次電池」は「改良型」とされ、エネルギー密度、 安全性ともに 10 年前の 2000 年代に比べて格段に向上し、電動車両や定置型への適用が始まった。 しかし、車載用や定置用向けに今後大規模に使われるには、コスト面、性能面、安全面等でまだ 不十分であり、日々改良が進んでいる。 2020 年の量産をターゲットとした場合、大きく言って「電極材料の改良」「電解質の固体化」が 大きく進むと思われる。 4.1.1. 次世代向け負極材料 セルの電気容量を増加させるためには、充電時にリチウムイオン(Li+)を正極からできるだ け多く負極に移動させ、負極の活性剤にできるだけ多く格納する必要がある。 そのためには正極、負極それぞれの充 放 電容量を増加させる必要があるが、負極がグラフ ァイト(C の層状構造)ではリチウムイオン(Li+)1 個を格納するために炭素原子（C）6 個が 必要となり、充電できる電気容量に限界がある(最大理論容量値: 372 mAh/g)。 炭素系以外としては、負極に「チタン酸リチウム」を採用した二次電池が東芝から上市さ れているが、容量値はやはり低い。 「炭素系」も「チタン酸リチウム」も容量密度は低く、電池全体のエネルギー密度を向上 させるネックとなっている。 現在、リチウムイオン電池の負極には、電極電位がほぼリチウムと同じで、比較的大きな 理論容量と良好な寿命特性を示す炭素・黒鉛系材料が主に使用されている。 リチウムイオンをできるだけ多く格納（インタカレート）できる新しい負極材料の実現が 切望されており、現在、色々な機関でシリコンや合金を用いた負極活性剤の研究が進んで いる。 Stepwest Corp Feb. 2014 74 エネルギー保存システム 図 4-1 負極材料のロードマップ(出典：NEDO ロードマップ 2013 より) 4.1.1.1. シリコンやスズの合金を負極材料に使う方法 負極の更なる高容量化のためには、合金系負極材料等へのチャレンジングな取り組みが必 要である。 リチウムは多様な金属と合金を形成することが知られている。これらの合金系負極は、電 位はリチウムや炭素・黒鉛 系材料より高いものの、高容量化が可能である。 例えば、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）の単元素物質が Li-Si、Li-Ge、 Li-Sn の「リチウム合金を形成」することにより、負極にリチウムイオンを貯蔵する方式で ある。（グラファイト負極で用いる「インサーション」ではない。） これは原子１個当たり最大 4.4 個のリチウムイオンと反応するため、理論容量が大きく黒 鉛系材料(370mAh/g)に比べて高容量を達成することができる。 Li-Si : 3.600〜4,200mAh/g Li-Ge : 1,600mAh/g Li-Sn : 990mAh/g 問題点 しかし、シリコン系やスズ系の負極は、自身の数倍という多数の原子を取り込むため 充放電での体積変化が非常に大きく、3 倍程度に膨れあがる。 このリチウムとの合金／脱合金反応時の体積変化は電極材料である微結晶の崩壊など を招き、充放電による容量の低下を招きかねず、粒子が粉砕（pulverization）され、 電子が移動する通路が切れる電気的孤立（electrical isolation）現象が発生する。 これらは、サイクル特性が急速に減少する原因になってリチウム合金系物質の商用化 の可能性を阻害することにある。 Stepwest Corp Feb. 2014 75 エネルギー保存システム 対策 これらの金属のナノ構造を作る、シリコンナノワイヤーを用いる、シリコンナノワイ ヤーに更に被膜する等、各機関で研究が進んでいる。 添付資料に示す米国のベンチャー企業の多くも、この点に力を入れて数千回の充放電 に耐えられる負極材料を開発している。 Si-O-C Si-O-C は、ハードカーボンと似た組成や性質を持ち、体積膨張率が小さく(10%)、低 温に強く、急速な充放電にも強く、比容量も 1,000mAh/g と高いと言う（東レ・ダウ コーニング）。 積水化学工業 積水化学工業が 2013 年 12 月に発表した現状の３倍の容量を備えるラミネート型セル では、負極材料に Si 系を用いている。 具体的には、Si と Si 酸化物に、導電材となる炭素系材料を複合したと言う。 なお、このセルのエネルギー密度は 340Wh/kg である。 スタンフォード大学のアプローチ 「シリコンナノチューブ(SNT)」を負極に用いて、上記の体積の増大を吸収する方法 等がスタンフォード大学等より提案されている。62,63,64 研究チームは、過去 5 年間、シリコン負極の耐久性向上に取り組んできており、ナノ ワイヤの外側にシリコン層を形成してから中身をくりぬいて DWSiNT 負極とする技術 を開発。 最新の研究では、酸化ケイ素（セラミック）の薄膜 1 層を DWSiNT にコーティングす ることによって、ナノチューブの外壁が膨張から保護され、ダメージを受けないよう にしているとのこと。 シリコンは内側の中空部に向かって膨らむため膨張による負極への影響がなく、また 内側中空部が十分小さいため電解質の分子が内部に入り込んでくることもないという。 今後(NEDO ロードマップ 2013 より) 合金系負極は、大きな体積変化や不可逆容量、微粉化による短寿命化等の解決すべき 課題は多いが、シリコン等コス トや資源的に優位な材料も多いため、更なる研究開 発が望まれる。 また、高出力化のために、ナノオーダーの活物質と導電材との接合技術 の確立が必 要であり、安全性向上には負極表面での電解液の分解反応抑 制等のための表面修飾 法等の検討も進める必要がある。 但し、負極の電位が低いことは上記課題の解決の上での技術的な困難さももたらして おり、 高電位負極も念頭に置いて安全性、寿命、コスト等を含めた検討も必要であ り、実用化にはまだ時間がかかると思われる。 なお、下表に炭素（グラファイトとハードカーボン） 、スズ、シリコンの特性の違いを纏め る。スズとシリコンは容量密度が高いが、膨張率も高い。 （各種資料を元に Stepwest が作 成） 62 63 64 http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n5/full/nnano.2012.35.html http://sustainablejapan.net/?p=1545 https://news.slac.stanford.edu/features/new-nanostructure-batteries-keeps-going-and-going Stepwest Corp Feb. 2014 76 エネルギー保存システム 材料 グラファイト(黒 鉛) スズ（Sn） シリコン(Si) 4.1.1.2. 質量あたりの容 量(mAh/g) 372 体積あたりの容 量(mAh/L) 837 電位 (V vs Li/Li+) 0.2~0.1V 990 3,600~4,200 7,189 9,786 0.6~0.1V 0.2V 膨張率 110% 300% 400% カーボン系を継続して負極材料に使う方法 層構造の黒鉛（グラファイト）では理論値(372mAh/g)を越える事が出来ないが、新炭素素 材の開発が進んでいる。 新炭素素材として、大口径(直径が 150nm)の多層カーボンナノチューブ(CNT)を負極への添 加剤として用いると、充放電サイクルを繰り返した際の容量低下を防ぐ効果が得られると いう（昭和電工） 。 NEC は、電総研と田中科学研究所と共同で「カーボンナノホーン」の形状を取る負極材料の 試作を行っている。65 単層カーボンナノチューブ(CNT)とグラフェン（グラファイトの単層）を組合せる事で高い エネルギー密度を得る方法を物質材料研究機構(NIMS)が提案。 ３層 CNT を用いる負極材料を東京大学が開発中。 図 4-2 正極材料のロードマップ(出典：NEDO ロードマップ 2013 より) 65 http://jpn.nec.com/press/201310/20131001_03.html Stepwest Corp Feb. 2014 77 エネルギー保存システム 4.1.2. 次世代向け正極材料 次世代の正極材料としては、(1)電位が高く、(2)容量密度が大きく、(3)繰り返しの充放電でも 構造が変わらず、(4)高温でも酸素を放出しなく、(5)レアメタルを使わない素材が求められてい る。 二次電池が保持出来るエネルギー密度（Wh/kg）は、「電圧(V)」と「電極材料の容量密度(Ah/kg)」 の積であり、かつ「電圧(V)」は正極と負極の電位差である。よりエネルギー密度をあげる為に は、電極材料の容量密度を上げ、正極の電位をより高くする改良が重要である。 現在正極に使われている「コバルト酸リチウム（LiCoO2）」、「3 元系（Li(Ni-Mn-Co)O2） 」、「 マンガン酸リチウム（LiMn2O4）」、「リン酸鉄リチウム（LiFePO4）」などの理論容量は 200Ah/kg 以下であり、電位は 3.5V〜4.2V 程度である。 上に示す NEDO の正極材料ロードマップにあるように、「固有体系(Li2MnO3-LiMO2)」や「ケイ酸 （シリコン）塩系(Li2MSiO4)」は高い容量密度を示す。 「フッ化リン酸塩系(Li2MPO4F)」も、高い 平均電位と容量密度を持つ。 いずれの正極材料も、2018 年から 2020 年頃の量産化を目指している。 4.1.2.1. 固溶体系 固溶体（こようたい、solid solution）とは、2 種類以上の元素（金属の場合も非金属の場合も ある）が互いに溶け合い、全体が均一の固相となっているものをいう。非金属元素同士が互いに 溶け合った場合は、混晶（こんしょう）ともいう（固溶体とほぼ同じ意味で使われる）。合金や 鉱物に多く見られる。固溶体を作ることによって材料を強化することを固溶強化という。66 次世代リチウムイオン二次電池向けに、電気化学的に不活性の層状の Li２MnO３（Li［Li1/3Mn2/3］ O2）と、電気化学的に活性な層状の LiMO２との固溶体の研究が進んでいる。67 この場合、化学式(Li2MnO3-LiMO2)の M は金属（遷移）元素を表し、Ni（ニッケル）や Mn（マンガ ン） 、Co（コバルト）などの金属が入る。 Li2MnO3 の理論容量は 344mAh/g もの高容量であるが、不活性である。他方、LiMO2 は活性である が、その理論容量は 280 mAh/g 程度(実際の容量は 150Ah/kg 程度)で小さい。そこで両者を固 溶体化してその組成をより Li2MnO3 側に近づけ高容量を引き出しつつ、後者の高活性な性質を利 用しようというものである。 固溶体系正極材料(上図では薄緑色)は、現行の正極材料の 2 倍近い比容量(~250Ah/kg)を備える 上、Mn をベースとするため、材料コストを低減できる。熱安定性にも優れる。 現在、各社で研究・試作が活発に行われている。 66 67 http://ja.wikipedia.org/wiki/固溶体 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/FEATURE/20110121/188933/ Stepwest Corp Feb. 2014 78 エネルギー保存システム 4.1.2.2. リン酸塩系 リン酸マンガン・リチウム（LiMnPO4） オリビン系構造のリン酸塩系の正極材料であり、比容量はそれほど大きくないものの、高 電圧化が可能と言われる。 既に LiFePO4（リン酸鉄）は何社かのメーカーで実用化されているが、Li に対する電圧が 3.4V 程度と低い。Fe を Mn に置換える事により、Li に対する電位を LiFePO4 に対して 0.7V ほど高い 4.1V にできる。 また、同材料はリン（P）と酸素が強固に結び付き，高温になっても酸素を放出しにくいた め，熱暴走が起こりにくく、安全性が高いと言われる。 リン酸バナジウム・リチウム（Li3V2(PO4)3） 同じくオリビン系構造のリン酸塩系の材料として，リン酸バナジウム・リチウム（Li3V2 （PO4）3）も GS ユアサ等より提案されている。 この材料は、LiFePO4 と同等の安全性を期待できる上，理論容量は 197mAh/g と、LiFePO4 や LiMnPO4 よりも 25Ah/kg 以上高い。 さらに、Li に対する電位を LiFePO4 よりも 0.4V ほど高い 3.8V 程度にできるが、4V 以下で ある。 4.1.2.3. フッ化リン酸塩系 フッ化リン酸塩系(Li2MPO4F：M は遷移元素)も、高い平均電位と容量密度(理論容量が 280Ah/kg 程度)を持つ。上図ではピンク色である。 「フッ化リン酸鉄リチウム(Li2FePO4F)」が研究・試作されている。 4.1.2.4. 三元系＋リン酸鉄リチウムオン二次電池 三元系（Li(Ni-Mn-Co)O2 ）の活物質に、重量ベースで約 10％程度のリン酸鉄リチウム（ LiFePO4）を混合した、複合タイプの正極材料を GS ユアサが 2012 年 11 月発表している。68 これは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託を受け、2008 年度から 取り組んできた「Li-EAD プロジェクト」によるものである。 三元系活物質だけで構成される正極材料を用いたリチウムイオン電池は、 SOC(State of Charge)が 50％程度のときと比べて、SOC が 30％以下の低 SOC 領域になると、出力密度が大 幅に低下するという問題があった。 これに対して、今回混合したリン酸鉄リチウムは、三元系の活物質よりも酸化還元電位が 低い。このため、低 SOC 領域における出力密度の低下を抑制する効果が得られるという。 実際に、新開発の正極材料を用いたリチウムイオン電池は、SOC が 50％のときの出力密度 が 2770W/kg であるのに対して、SOC が 30％以下に落ちても 1450W/kg の出力密度を確保で きている。 まだ研究段階で、量産はされていない。 68 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1211/09/news127.html Stepwest Corp Feb. 2014 79 エネルギー保存システム Stepwest Corp Feb. 2014 80 エネルギー保存システム 4.2.全固体電池 全固体電池とは、電解質を液体では無く「固体」にした二次電池であり、「次世代二次電池」の 一つとして期待されている。 現在のリチウムイオン二次電池（特に「コバルト酸リチウムイオン二次電池））で問題となって いる発火、爆発等の問題が起きず、またエネルギー密度を高くする事が可能であると考えられて いる。 量産化にはまだまだ越えなければいけない壁が多いが、５年以内の量産実現可能性が高く、NEDO のロードマップでは、「革新電池」には分類され ていない。 全固体電池のメリット 「リチウムイオン二次電池」は、高容量化 を図るため、負極材料を電流容量が高いシ リコン系などに変更しようとしている。負 極材料とともに正極材料の高容量化も重要 となるが、正極材料にはすぐに電流容量を 高められる有力な候補がない。（酸素、硫黄 を正極に使うにはまだ時間がかかる） そのため、正極材料では電流容量は同じな がら、高電圧化してエネルギー密度を向上 させる、いわゆる 5V 系正極材料の利用を目 指している。 ところが、5V 系正極材料を用いようとする と、従来の有機電解液では電解液が分解し 図 4-3 薄膜型固体電池とバルク型固体電池 （大阪府立大学のウエブサイトより） てしまい、電池の電圧を上げられない。 そこで、「電位窓69」が広いとされる固体電解質を用いることで，5V 系正極材料を積極的に 利用することができる。 4.2.1. バルク型全固体電池 次節で延べる「薄膜型」の固体電池と異なり、微粒子を積層することによって作製され、電極層 に電極活物質を多量に導入することによって電池容量を大きくできる特長がある。 バルク型全固体電池の実用化を図るためにはいくつものハードルがあるが、とくに(1)室温 で高い導電率を示す固体電解質の開発(2)良好な電極-電解質固体界面の構築という二つの ポイントがあげられる. 69 電位窓＝溶媒と塩から成る電解液が酸化還元反応を示さない電圧の範囲のこと。溶媒と塩，電極材料によって決まる。 固体電解質は固体であり，電極材料と電解質の界面がひとたび反応するとそれ以上に反応が進みにくいことから，有機電 解液に比べて分解しにくく，電位窓が高いとされる Stepwest Corp Feb. 2014 81 エネルギー保存システム バルク型全固体電池では、電極層内にもリチウムイオンの伝導経路としての固体電解質を 用いることから、粒子間の接触抵抗(粒界抵抗)も含めた導電率が゙ 高 く、電極活物質とのあ いだで界面形成が容易な固体電解質の開発が望まれている。 固体電解質の「リチウム硫黄電池」や「リチウム空気電池」への応用 「革新二次電池」として注目される「リチウム硫黄電池」や「リチウム空気電池 70」とい った次世代電池の実現にも，固体電解質は重要な役割を果すと考えられる。 「リチウム硫黄電池」では正極材料に硫黄（S）系材料を用いるが，有機電解液を用いる と硫黄（S）が電解液中に溶け出す問題がある。 固体電解質を利用できれば、こうした問題を解消できる。 究極の電池とされる Li 空気電池については、正極に空気を通す構造が必要となる。そのため、 液体ではない固体電解質の方が電極構造の簡略化が図れる可能性がある。 全固体電池の電解質の種類とその特徴 全固体電池（バルク型）の固体電解質は、 「無機物系」と「高分子系」に大別できる。 「無機物系」はイオン伝導度が高いのが特徴であり、さらに「硫化物系」と「酸化物系」 に分けられる。 「高分子系」は製造工程の簡易化が可能だが、低温特性に課題が残る。 区分 特徴 10 S/cm と、電解液並みのイオン伝導度を備える材料が開 発・試作されている。 -2 次世代の正極材料である硫黄（S）と同じ硫化物であるので 相性が良い。 硫化物系 固体電解質 課題 固体電解質の共通の問題である電極活物質と固体電解 質との界面での抵抗が高いこと 硫化物系は水と反応すると硫化水素 71 （H2S）が発生す ることから、電解質の作製から電池を組み立てるま で、湿度に対して何らかの対策が必要となる 無機物系 硫化物系よりは低いが 10-3 S/cm のイオン伝導度を達成する 電解質が登場してきた。 酸化物系 固体電解質 酸化物系は硫化物系に比べて製造時の取り扱いが容易なこ とから，硫化物系並みの性能を有する酸化物系の開発に注 目が集まっている。 課題 こうした特性を備える酸化物系は結晶構造を有してお り、粒界抵抗により、性能が低下してしまう課題が残 っている。 70 Li 空気電池＝正極に大気中の酸素を利用するため，質量当たり，および体積当たりのエネルギー密度が飛躍的に向上 することから，究極の電池として研究されている。ただ，空気極での還元反応の難しさなどが指摘されている。 71 硫化水素（りゅうかすいそ、英: hydrogen sulfide）は化学式 H2S をもつ硫黄と水素の無機化合物。無色の気体で、腐卵臭を持つ。 Stepwest Corp Feb. 2014 82 エネルギー保存システム ロールツーロールで製造可能 高分子のため、セルに柔軟性を持たせる事が可能 高分子系固体電解質 課題 低温特性が悪い イオン伝導度が低いため、大きな電力での入出力が出 来ない 4.2.2. 薄膜型全固体電池 液体の電解液を使用しない「固体電解質二次電池」の一種であり、薄膜製造方法を用い製造する。 前記の「大容量向けのバルク型の全固体電池」の量産化はまだ先だが、本節で記述する「薄膜方 式」は、少量ではあるが既に量産出荷されている。 その特徴は下記の通りである。 薄膜型全固体電池では、蒸着等の気相法72を用いて薄膜を積層することにより、良好な電極 -電解質間の固体界面接合を実現している。 薄膜電池はすでに実用化されており、40,000 サイクルの充放電を行ってもほとんど容量劣 化が生じず、サイクル寿命に優れている。 蓄電出来る容量は少ないが、薄いコンタクトレンズ内への装着等の、特殊な用途への適用 が期待されている。73 世界中で研究開発がなされているが、既に数社が製品化、出荷している。 72 気相法:気相から薄膜を作製する手法で,代表的な手法とし ては,真空蒸着法やパルスレーザー堆積法,スパッタ法など がある. 73 http://www.chem.osakafu-u.ac.jp/ohka/ohka2/research/battery_li.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 83 エネルギー保存システム 4.3.超伝導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) 超伝導エネルギー貯蔵システム（SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage System）と は、超伝導コイルで作ったマグネットに、永久電流を流して磁気エネルギーを保存する。コイル に電気抵抗が原理的にゼロである超伝導線を用いて閉ループにすると、電流は損失なく永久に流 れ続ける。 貯蔵される電流は直流電流なので、系統連係には交直変換器が必要となる。 冷却機システムと冷却したコイルを保存するクライオスタットが必要となる。 メリット デメリット 変換効率が高い。 応答が速い。 冷却効率・支持構造物への応力の問題から、装置が大型化して しまうため、立地条件に制約がある。 超伝導コイルや冷却機のコストが高い。 実績 シャープ亀山工場では、10MJ 貯蔵システ ム（出力 10MW、１秒間）が瞬停補償用と して稼働している。 研究開発 低温超電導線に代わる高温超電導線 材の開発により、冷却機動力の軽減。 図 4-4 シャープ亀山工場の超伝導電力貯蔵装置（出典： 中部電力） 次世代イットリウム系高温超電導線 材の長尺化によるコストダウン。 応力を低減させる電磁力平衡コイルの開発。⇒東工大 日光において、小規模 20MJ≒5.5kWh 級貯蔵システム（出力 10MW）の検証 運転温度 4K, 電流 1350A, 電圧 1100V 負荷平準化目的の大規模システムの概念 100MWh 貯蔵システム 超伝導コイル：直径数百メートル、100 万トン 交流―直流変換システム：サイリスタブリッジ回路 ヘリウム冷凍機：20kW 系統安定化目的の中規模システムの概念 500kWh 貯蔵システム 超伝導コイル：直径 72 メートル、導体電流 50kA Stepwest Corp Feb. 2014 84 エネルギー保存システム 交流―直流変換システム：変換器容量 100MW 5. 「革新二次電池」(2030 年量産ターゲット) 以下に、現在研究開発段階にある次々世代の「革新二次電池」について記述する。 これらは、現在量産中または量産が近い「改良型リチウムイオン二次電池」や「次世代二次電池 (2020 年量産ターゲット)」の数倍から数十倍のエネルギー密度を目標に、各国の研究機関や企 業で研究開発が進められている。 NEDO のロードマップ(2013)では、 「2030 年頃に要求される、現行の電池系では到達し得ないよ うな高い性能を達成し得る可能性がある電池系」を「革新電池系」としている。 同ロードマップでは、革新電池の例として、 「金属-空気電池」、「リチウム硫黄電池」、「金属 負極電池」等を挙げている。 いずれも企業、国の研究機関、大学での研究段階であり、まだ実現には安全性や製造方法の確立 等で 10 年から 15 年の長い時間がかかる物と思われる。 図 5-1 革新電池の種類と性能（NEDO ロードマップ 2013 より） Stepwest Corp Feb. 2014 85 エネルギー保存システム 5.1.金属空気電池 金属・空気電池とは正極活物質として空気中の酸素、負極活物質として金属を用いる電池の総称 である。 電池に内蔵されていない空気(酸素)を正極活物質とすることから、現行のリチウムイオン二次電 池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池系であり、 「革新型二次電池」として車載用への実用化が期 待 さ れ て い るが、二次電池化（充電可能化）が非常に難しい。 金属・空気電池の種類 「リチウム・空気電池 74」「亜鉛・空気電池 75 」「アルミ ニウム・空気電池」「鉄・空気電池」などの種類が提 案 されている。 単位重量当たりの電気エネルギー密度が最も大きい「リ チウム・空気電池」を対象にした研究が多く行われてい 図 5-2 充電が出来ないタイプの亜 鉛空気電池。補聴器用の電池として る。 使われている（出典：電池工業会） 理論値は、「リチウム空気電池」で 11,140Wh/kg、 「アルミニウム空気電池」で 8,100 Wh/kg である。 なお、2013 年において自動車向けに使用される一般的な「リチウムイオン二次電池」 の単位重量当たりの電気エネルギー密度は 100~200Wh/kg 程度（電池パック）である トヨタ自動車でも活発に研究が行われている76。また、トヨタ自動車と BMW の共同研 究案件の一つとなっている77。 繰り返しの充放電のできない一次電池としての「亜鉛空気電池」は、医療機器や通信機器 用のボタン電池としてすでに商用化されている。（シールで密封した状態で提供され、使 用開始時にシールを剥がし空気穴をあけることで放電が始まる） 金属・空気電池は、電池に内蔵されていない空気(酸素)を正極活 物質とすることから、リチウムイオン二次電池よりも高いエネル ギー密度化（理論値で 15 倍以上）が期待できる これは、ほぼガソリンのエネルギー密度に匹敵する。 正極（空気）側で空気中から「酸素」を吸収し、これを水酸化物 イオンに変換する必要があるが、酸素はイオン化の進行速度が劣 り、電池全体のボトルネックになりやすい。（負極は金属（亜 鉛、リチウム等）であり、イオン化傾向が高い） これが単位重量あたりの出力を向上させる際に大きな課題とな る。78 メリット 問題点１ 正極（空気側）の 高性能化が困難 74 http://ja.wikipedia.org/wiki/リチウム・空気電池 http://ja.wikipedia.org/wiki/空気亜鉛電池 76 http://www.toyota.co.jp/jpn/tech/environment/next_generation.html 77 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20130124/262172/ 78 上記の問題点への対策として、正極側に用いられる「多孔質炭素電極」に対して、「フッ素化合物」を含有させること で酸素溶解性を向上させる方式が提案されている。 75 Stepwest Corp Feb. 2014 86 エネルギー保存システム 充電すると、負極（金属）の化学的性質が不安定になり、デンド ライト（金属樹）成長を起こすため短絡が生じ、充電サイクルを 稼ぐことが難しい 充電すると、正極（空気極）に使用している炭素材料（多孔質炭 素電極）が酸化消耗してしまう 放電時に正極（空気極）側で酸素が触媒により酸化して Li2O2 と なるが、充電時にはこれを還元させなければならない 問題点２ 二次電池化が困難 87 二次電池化が困難な問題に対しては、以下の２つのアプローチが提案されている。 電極を３つにする方式（三電極方式） 上記の様に、充電すると負極 活物質（金属）の化学的性質 が不安定になるため、負極を ２つ用意する「三電極方式」 と言う方式も提案されている。 これは、放電では負極に多孔 質炭素材料が使用され、充電 では非酸化性の多孔質金属材 料などを用い、これを自動で 切り替える方式である。 右図は産総研の提案している 構成であり、充電用専用電極 を持つ。79 図 5-3 「リチウム－空気電池」の構成の一つ 充電専用電極を持 つ 左図：放電時 右図：充電時（出典：産総研ホームページ） 充電（二次電池化）を諦め電極交換式にする場合 上記の通り二次電池化が大変難しいのでこれを諦め、負極剤（金属）と電解質を交換して しまうという「メカニカル充電（交換）方式」も提案されている。 金属燃料（リチウム等）は流体ではないので、電池パック内の複数の電池セル毎に負極だ けを交換したり正極側電解液だけを交換することは困難であり、電池パックごとの交換に なる（なお、水素燃料電池は水素だけを補給すればよく、また生成物の水だけを排出でき る）。 自動車向けに「メカニカル充電（交換）方式」を実用化する場合、交換式金属電極の規格 化が必要である。 また、放電したあとの金属電極を精錬して再び金属電極とするために多大なエネルギーが 必要となる。 金属を再生する必要エネルギーが大きくエネルギー収支上問題があるだけでなく、工業レ ベルで安価に再生する技術的な目処も立っていない状況である。 79 https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090224/pr20090224.html Stepwest Corp Feb. 2014 エネルギー保存システム 5.2.ナトリウムイオン電池 現在実用化されているなかで、エネルギー密度が一番高い二次電池は「リチウムイオン二次電池」 であるが、下記する様に、リチウム元素の資源量が限られるため高価になる。 リチウム元素は地殻中にわずか 0.002％しか存在しないレアメタルである。 現在、日本はその全量を海外(チリ、中国、ロシア、アメリカなど)からの輸入に依存して おり、また産出国が限られることから、政情などに価格が左右されている80 リチウムイオン二次電池の普及とともに資源価格が高騰 (1990 年以来、100%上昇) 電気自動車の普及につれ、リチウムの需要が急増すれば価格上昇の速度は加速される恐れ がある このため、リチウムを使わない、より安価で製造出来る新しい二次電池の開発が進んでいる。 今後の製品化が期待される「ナトリウムイオン二次電池」の特徴は下記の通りである。 リチウムイオン二次電池よりも大きな電流を取り出すことができ メリット る（出力密度が高い） ナトリウムは海水にふんだんに存在することから原料が安く、低 コスト化しやすい 金属ナトリウムを用いる場合、安全性が疑問視 ナトリウムは蓄電量が少ない（NaCoO2 の蓄電容量は LiCoO2 の場合 の半分）このため、エネルギー密度はリチウムイオン二次電池に 劣る デメリット 蓄電容量と寿命を両立することが従来まで難しく、解決すべき問 題が多く存在する リチウムイオン電池の負極に使われる「黒鉛（グラファイト等） 」 には、ナトリウムイオン（Na+）は挿入されない。 （ナトリウムイ オンを負極に収納する素材や方法が必要になる） 低価格で大容量化が可能なため、用途としては、風力、太陽光などの自然エネルギーの蓄電、余 剰電力の蓄電など、スマートグリッド社会における重要なインフラとなる可能性を持っている。 81 出力密度は高いが、エネルギー密度が低いため、電気自動車用電源として用いるには、エネルギ ー密度の向上が必要になる。 現在研究開発が行われている構成は下記である 80 81 http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/research_highlights/no_66/ 東京理科大 http://www.jstshingi.jp/abst/p/10/1028/tus6.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 88 エネルギー保存システム 部材の種類 正極 特徴 ナトリウムを含有する「遷移金属酸化物」や「セラミッ クス材料」 (NaNi0.5Mn0.5O2) 炭素材料、Ti 酸化物など (ハードカーボン) 負極 電解質 バインダー／セパレータ ー →上記の様に「ナトリウムイオン」を負極に収納する素 材や方法が必要になる 有機溶媒、イオン液体、無機塩 (NaPF6, NaTFSA) 高分子材料 越えなければいけない問題点は沢山あるが、各研究機関、大学、ベンチャー企業で現在もその性 能は進化を続けている。 5.3.リチウム・硫黄(Li-S)フロー 電池 米 SLAC 国立加速器研究所とスタンフォード大学 の研究チームが、新構造のリチウム硫黄フロー 電池を開発したと発表した。82,83 従来のレドックスフロー電池と比べて構造が単 純で、材料コストも安くできるとのこと。 まだ実験段階だが、現状のフロー電池の問題点 を対策し、高いエネルギー密度を達成出来る 「革新型蓄電システム」として面白いアプロー チである。 既存のレドックスフロー電池は、バナジウムな 図 5-4 SLAC とスタンフォード大学が開発中のリチ どのレアメタルや、高価で定期的メンテナンス ウム硫黄フロー電池。イオン交換膜が不要。溶液 が必要なイオン交換膜を使用していることは、 が１種類で良い。 （出典：スタンフォード大学） レドックスフロー電池のコスト面での課題とな っている。 今回の提案 循環させる溶液が 1 種類だけでよく、イオン交換膜も必要としない。 充放電反応を担う材料も、比較的安価なリチウムと硫黄を用いた。84 従来のリチウム硫黄電池では、放電時の Li2S2 および Li2S 生成に起因する性能低下がみられ たが、今回の電池では「硫黄と Li2S4 の間だけ」でサイクル反応するように正極電解液を設 計することでこの問題が回避されているとのこと。 目標性能 http://stanford.io/12TAo9E 2013 年 3 月 8 日付け Energy & Environmental Science オンライン版に論文が掲載されている。 84 新型フロー電池は、エーテル溶媒に多硫化リチウム（Li2S8）を溶かした正極電解液と、固体の金属リチウム負極で構 成される。放電時には多硫化リチウム分子がリチウムイオンを吸収。充電時には溶液中にリチウムイオンを放出する。 82 83 Stepwest Corp Feb. 2014 89 エネルギー保存システム 理論上、溶解限度での同電池のエネルギー密度は重量密度 170Wh/kg、体積密度 190Wh/L と 高い。 研究チームは、これを実証するためにガラス容器を使った小型のリチウム硫黄フロー電池 を試作し、重量密度 97Wh/kg、体積密度 108Wh/L を実現している。 サイクル寿命については、2000 サイクル後も 200mAh/g の容量が維持されることが確認され ている。 5.4.リチウム・硫黄(Li-S)電池 リチウム硫黄電池は、リチウム極と硫黄-カーボン極の間でのリチウムイオンの交換によって充 放電を行う二次電池85であり、「革新型二次電池」の一つとして期待されている。 硫黄は、電池容量の理論値が高く、正極材として有望視されているが、時間がたつと溶けてしま うため、現在のところ、リチウム硫黄電池の実用性能は制約されている。 スタンフォード大学の研究 スタンフォード大学の Y Cui たちは、活性物質を効果的に保持する金属酸化物の殻に保護 された拡大可能な硫黄中心を有する新しい正極ナノ構造体を開発した。86 これを用いた電池は、ほぼ理論的予測どおりの高い初期電池容量があり、1,000 回以上の充 放電サイクルが可能となっている。これは、これまでに開発されたリチウム硫黄電池の中 で最高の性能との事。 ナノ構造を持つ導電性材料と硫黄を結合することによって、硫黄の相に電子移動のための 大きな界面領域を作り出す。 この目的を達成するために開発されたのが、多孔性カーボンナノ粒子のネットワーク構造 。ナノ粒子には 3～6nm 径の孔が開いており、硫黄が均一に分散することによって、ほとん どすべての硫黄原子がリチウムイオンを受容可能になるという。 同時に、導電性のあるカーボンのすぐ近くに硫黄が配置されるという効果もあるとの事。 米オークリッジ国立研究所の全固体リチウム硫黄電池 米オークリッジ国立研究所(ORNL)の科学者らが、リチウムイオン電池のおよそ 4 倍の質量 エネルギー密度を実現する「全固体リチウム硫黄電池」を開発した。87 この「リチウム硫黄電池」は、ORNL が新たに開発した硫黄(S)を豊富に含む素材を正極に用 いる。これにリチウムの負極と固体電解質を組み合わせることで、エネルギー密度の高い 「全固体リチウム硫黄電池」を作成した。 硫黄は非常に安価であるため、リチウムイオン電池と比較して大幅なローコスト化が可能 になる。 また、固体電解質を使用することで液漏れや発火の心配もない。今回開発されたリチウム 硫黄電池は、摂氏 60 度で 300 回充放電を繰り返しても 1 グラム当たり 1,200mA/h を保つ。 これに対し、リチウムイオン電池の場合は 1 グラム当たり 140～170mA/h が平均的である。 85 86 87 http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium–sulfur_battery http://sustainablejapan.net/?p=1445 http://www.zaikei.co.jp/article/20130608/135063.html Stepwest Corp Feb. 2014 90 エネルギー保存システム ただし、このリチウム硫黄電池の出力電圧はリチウムイオン電池の半分程度であることか ら、質量エネルギー密度はおよそ 4 倍になる。 5.5.ナノワイヤー電池（シリコン負極） リチウムイオン二次電池の負極に「シリコンナノワイヤー」を用いる方法。 シリコン（Si）は炭素系負極（黒鉛ほか）の 10 倍のリチウムを貯蔵するので負極でのエネルギ ー密度が向上するため充電池の体積を減らす事が出来、表面積が広いので充放電が早くなる。88 しかし、リチウムイオンの出入りによってシリ コンが数倍の体積に膨らむことから亀裂を生じ やすく、充放電を繰り返した際の劣化（容量低 下）を起こしやすい点が問題である。 この対策として、色々な方法が大学や研究機関 で研究が続けられている。89 一つの方法は、シリコン材料をナノサイズ化す る。非常に細かい粒子（ナノ粒子）にすると一 般的に体積変化に対する柔軟性が増す事が知ら れている。 図 5-5 シリコンナノワイヤーの例（出典：独立 行政法人物質・材料研究機構） このため現在研究されているシリコン系負極はほぼ全てシリコンをナノ粒子化し、それを導電性 炭素などで繋いだ構造となっている。 これに対し、シリコン（珪素）のナノワイヤーによって覆われたステンレスの負極を用いる構造 がスタンフォード大学や他の機関より提案されている。このシリコンナノワイヤーは、以下の特 徴を持つ 非常に長いナノワイヤーを電極として利用する事で電極末端までの電子の流れをスムーズ にする 体積変化による劣化はワイヤー径がナノサイズである事で回避する さらにその非常に大きな表面積のために Li イオンの侵入も容易で高速での充放電を可能と した 5.6.多価カチオン電池 多価カチオン電池は、1価のLi+に替えて2~3価の価数を有する金属イオンを使用した電池で あり、Li+の2 ~3倍の電気量を運べることから電気エネルギー密度が高く、高容量の二次電 池として注目されている。 また、前節に述べた様に、リチウム元素は、その資源量が限られるため高価になる。 88 http://ja.wikipedia.org/wiki/リチウムイオン二次電池 #.E3.83.8A.E3.83.8E.E3.83.AF.E3.82.A4.E3.83.A4.E3.83.BC.E3.83.90.E3.83.83.E3.83.86.E3.83.AA.E3.83.BC 89 http://j-net21.smrj.go.jp/develop/energy/company/2012112901.html Stepwest Corp Feb. 2014 91 エネルギー保存システム また、リチウムは非常に反応性が高く、過充電や内部短絡が発生すると、発煙・発火など を引き起こし電池の安全性に問題があるが、カルシウムはリチウムと比べ融点も高く、安 全性は高いと考えられる90。 しかしながら、Mg2+、Ca2+、Al3+などの多価カチオンを利用する電池はカチオンの移動制御 が難しく、研究自体が緒に就いた段階にあり、研究例は少ない。91 90 http://www.ekouhou.net/二次電池/disp-A,2012-248470.html 91 http://www.kansai.meti.go.jp/3jisedai/project-next/daigakuseeds/sb_m.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 92 エネルギー保存システム 6. リチウムイオン二次電池の安全性と対策 リチウムイオン二次電池は、そのエネルギー密度の高さと引き換えに、化学的に不安定になりや すい。発火・火災事故を起こす危険性があり、特に大型電池では安全性の確保が最大の課題とな っている。 過去数年の間にも、パソコン、携帯電話、航空機（B-787）等で発火や熱暴走等の事故が起きて いる。 6.1.リチウムイオン二次電池が不安定な理由 リチウムイオン二次電池が不安定であるのは下記の理由による。 加熱・発火の危険が大きいリチウム(Li)を 電池材料に使用している。 電解液に可燃性の非水溶媒を使用している （ポリマー電池は違う）。 正極と負極はセパレーターで絶縁されては いるが、セパレーターは微細な孔が開 い て いる厚さ 25μm 程度の薄いフィルムである 。 電 池 内 に電解液が注入されているため、電 池製造工程で金属片などの異物が混入する と、金属異物がセパレーターを突 き 破 っ て 図 6-1 学会の会場で、突然燃えだしたソ ニー製のリチウムイオン二次電池 （出典：報道資料） 内部短絡を起こす可能性があり、これによ り発熱・熱暴走により発火・火災に至る可能性がある。 正極材料にコバルトを用いている場合、コバルトは温度の上昇に伴って酸素を放出す るため、発火に繋がる。（コバルト以外の 素材でも、温度上昇に伴って酸素を放出す る。） 負極に多く使われる黒鉛は、導電性を持つ 為に内部短絡が起 こ る と 、負極に一気に電 流が流れ、負極温度が急上昇してしまう。 また黒鉛は、250℃近傍になると発火の危険 性が出てくる。 熱暴走 リチウムイオン二次電池が異常発熱や発火 を起こす現象は、「熱暴走」と呼ばれてい 図 6-2 発火事故を起こした、B-787 に搭載 されたリチウムイオン二次電池 （出典：報道資料） る。 Stepwest Corp Feb. 2014 93 エネルギー保存システム 熱暴走は、何らかのきっかけにより、電池内部の特定部材が発熱、その発熱がさらに 他の部材の発熱を引き起こし、電池温度の上昇が続くことで起きる。 熱暴走の主なきっかけには、内部短絡や電池パックの過充電、それらの複合要因など がある。 内部短絡が起きた場合 正極から負極に一気に電気が流れることで、負極の発熱を引き起こす。 発熱した負極は、正極を加熱し正極の発熱反応を引き起こし熱暴走となる。 過充電が起きた場合 下記のメカニズムで正極の発熱を引き起こす。 リチウムイオン二次電池の充電は、正極材料中からリチウムイオンを引き抜き、負極 材料中に差し込むことで行われる。 リチウムイオンが引き抜かれた正極は結晶構造が不安定になるため、充電時に正極か ら抜き出されるリチウムイオンは、一定範囲内になるように制御されている。 しかし、過充電が起きると、過剰なリチウムイオンが抜き出され、正極材料の結晶構 造が壊れる。 この結晶の崩壊過程で、正極の発熱反応が起き、この熱が負極を熱くし、また正極が 酸素を放出し、熱暴走となる。 図 6-3 劣化してふくれあがった携帯電話 用のリチウムイオン二次電池、,左上が新品 （出典：WikiPedia) Stepwest Corp Feb. 2014 94 エネルギー保存システム 6.2.安全対策の概要 自動車向けでは、熱に対する化学的な安定性を増やす為に、電極材質や電解質材料の改良 が進んでいる。特に、温度が上がった際に酸素を放出しやすいコバルトを正極材料に使う ケースはほとんど無くなっている。 また、バッテリーセルの外部には、監視装置（バッテリーマネージメントシステム BMS）を 取り入れられている。 こうした対策にもかかわらずノートパソコンや携帯電話において異常過熱や発火などがし ばしば報告される。製造工程上の問題が疑われ、大規模な回収に繋がった例もある。 現在の材料を用いた上で安全対策を行う方向と、材料を変更する事で安全対策を行う方向 の２つがある 6.3.バッテリー管理システム リチウムイオン電池はその内部の安全を確保する為に、バッテリーセルの外部にバッテリー管理 システム（BMS Battery Management System）を使用する。92 BMS の働きは以下の通りである 過充電を防ぐ。 過放電を防ぐ。 過電流を防ぐ。 セルの温度上昇を管理する。 セル電圧の均等化（セルバランス）を図る。 上記のうち、セルバランスは下記の通り非常に大事である。 リチウムイオン二次電池に限らず、一般的に全ての電池には自己放電が発生し、これ を完全に食い止めることはできない。 リチウムイオン二次電池の自己放電は他の二次電池に比べると非常に小さく電力を蓄 えておくのに適していると言える。 し か し 、充放電を繰り返していると各セルの内部抵抗の違いで、使用中にセル容量の バラツキがどうしても生じてくる。 それらを是正しないで使用していると、過放電、 過充電に至るセルが生じて、バッテリパックが破損することになりかねない。それを 防ぐためには、各セルの容量バラツキを是正する機能、および、過充電・過放電の保 護機能が必要となる。 バッテリマネージメントシステムは、リチウムイオン電池の容量バラツキを抑制する 容量バランサ機能、過充電過放電保護機能、バッテリパック内の各セルの状態を検知 し上位のコントローラヘ通知する通信機能で構成されている。 92 http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system Stepwest Corp Feb. 2014 95 エネルギー保存システム 6.4.各部材と安全性 6.4.1. 正極材料と安全性 リチウムイオン二次電池の正極には（LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 など）等の活物質が使われ る。 これら正極活物質は、固有の「分解温度」を持ち、この温度を越えると熱分解によって「 酸素を放出」する。 短絡や過充電が起こると、電池内部には膨大な熱が発生するが、この発生した熱によって 分解温度に達した正極活物質は、酸素を放出するので発火の可能性は一気に大きくなる。 この分解温度はそれぞれ下記である。 LiMn2O4 : 300 ℃以上 LiCoO2 : 220 ℃ LiNiO2 : 150 〜 200℃ 分解温度は高い方が良く、分解温度の低い LiNiO2 は、最も酸素を放出しやすい。 ゆえに、正極活物質の違いによるリチウムイオン電池の安全性は、一般的に下記の順であ るとされている。 LiMn2O4 > LiCoO2 > LiNiO2 また、層状構造である LiCoO2 や LiNiO2 は、充電とともに層間に入っているリチウムイオ ンが無くなる為に、層間距離が拡大し構造が不安定になり、過充電時の熱安定性に問題が あると言われている。 これに対し、スピネル構造である LiMn2O4 は、充電時リチウム量の減少に伴い層間距離が減 少するため、過充電での高い安定性を有していると言われている。 また、正極活物質として、それ自体の理論電気容量が約 150mAh/g の「オリビン型構造」を 持っ た LiFePO4 が近年実用化されており、車載用リチウムイオン電池用の正極活物質とし ての開発が進められている。 なお、パナソニックが製造しているリチウムイオン二次電池の 18650 円筒形セル（テスラ 社にも供給している）は、その正極にニッケルを用いているが、各種の対策(HRY:Heat Resistance Layer の導入等)を行う事で安全性を確保しているとの事。93 6.4.2. 負極材料と安全性 負極活物質としては、一般的に炭素材料と呼ばれる「天然黒鉛」、「人造黒鉛」、「非晶 質炭素(ハードカーボン、黒鉛化度が低い)」などが使用されている。（黒鉛とグラファイ トは同じである。） 93 炭素系負極は 250℃近傍になると発火の危険性が出てくる。 http://panasonic.co.jp/ptj/v5602/pdf/p0104.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 96 エネルギー保存システム 内部短絡が起こると、負極に一気に電流が流れ、負極温度が急上昇してしまう。 炭素系負極ではない「酸化物負極」として、「チタン酸リチウム」が東芝によって実用化さ れている。急速充放電、サイクル寿命、熱安定性などに優れた特性を持っていると言われ る。 「チタン酸リチウム」の成分である酸化チタンは電導性を持たないため、内部短絡が起こ っても一気に電流が流れることはなく、負極における発熱反応は穏やかとなると言われて いる。 6.4.3. セパレーター材料と安全性 リチウムイオン二次電池用セパレータとして、ポリエチレン、ポリプロピレン、またその 組み合わせであるポリオレフィン系微多孔質セパレータが使用されている。 ポリオレフィンは優れた機械的強度と化学的安定性を持っており、安全性を保つために、 「シャットダウン機能」を持っている。 シャットダウン機能とは、原材料の融点近くで空孔が閉塞し、電極間のイオンの透過を阻 止、すなわち電流を遮断し温度上昇をストップする役割を果たす機能である。 電動車両や電力貯蔵 システムなどの高容量化用途では、耐熱性に優れた不織布材料のセパ レータの開発が進められている。 PET 系不織布、また耐熱性を重視したアラミド繊維不織布が代表的である。 これらのセパレータの耐熱温度は 200 ℃以上であり、高温での収縮率が低く、高容量リチ ウムイオン電池の安全性確保に期待が持てる。 6.5.電池の安全規格 UL 規格 リチウムイオン二次電池を対象とした安全規格は、UL（Underwriters Laboratories Inc. ）の規格がもっとも有名である。 UL は米国の民間団体であり、米国の公的な規格ではないが、米国、カナダで販売するため にはデファクト・スタンダードとも言うべきものである。 IEC や JIS 等、国際規格や日本の規格も、基本的には UL 規格をベースとしている。 UL の、リチウムイオン電池セルに関する規格としては、UL1642 があり、電池パックとして は UL2054 等、用途に応じていくつかの規格がある。 国際規格としては IEC61960 があるが、上述のごとく、UL1642 をベースとした規格となって いる。 日本電池工業会は独自のセルの安全基準を作成している。しかし、これは業界の基準であ って、規格ではない。 釘刺し試験 Stepwest Corp Feb. 2014 97 エネルギー保存システム リチウムイオン二次電池の安全性試験の項目として、釘刺し試験が行われることがある。 釘刺し試験は満充電状態のセルのほぼ中央付近に鉄製の釘を貫通させるもので、セルの内 部短絡のシミュレーション試験であるといわれる。 7. エネルギー貯蔵システムのマーケット 7.1.二次電池マーケットの動向 ・ 二次電池の歴史は、1859 年の鉛蓄電池の発明に始まり、その後自動車エンジン始動用・電装 部品用に 1950 年以降二次電池の使用が急速に拡大した。その後、60 年代には、ニカド電池 の小型機器用途への使用、90 年代の携帯電話・PC・デジタルカメラ等の普及に基づくニッケ ル水素電池、リチウムイオン電池の需要拡大と市場は順調に拡大した。 ・ 近年では、97 年のハイブリッド車上市以降需要が高まっている自動車用二次電池、再生可能 エネルギーの大幅導入やエネルギー使用のスマート化等に伴う定置用二次電池への期待が大 きくなっており、より大容量蓄電が可能な二次電池への需要が高まっている。 ・ 二次電池の世界市場は、2012 年度で 3.3 兆円程度であり、2020 年に 9.5 兆円まで成長する ことが見込まれている。成長率は年平均 8.9%程度と非常に堅調であり、中でも 45%のシェア を獲得しているリチウムイオン電池は、現在携帯デバイス用に多く使用されている他、今後 は電気自動車や定置用等用途での使用も大きく期待されていることから、2020 年度までの成 長率は 12.9%と特に好調な伸びが予想されている。 ・ 現在上市している二次電池は、鉛蓄電池、ニカド電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素 電池および NAS 電池であり、フロー電池は実用化間近である。 ・ 研究開発中の電池では、全固体電池、金属空気電池、ナトリウムイオン電池、等がある。 ・ モバイル機器向けの小型リチウムイオン電池の市場は 2012 年度で 1.4 兆円であり、技術が 一定レベル確立されていることもあり、今後は年 10.2%程度で成長すると予想されている。 バッテリーメーカーでは、近年中国や韓国などの新興国メーカーの参入が顕著であり、市場 競争が非常に激しくなっている。 ・ 一方、大型リチウムイオン電池の市場に関しては、2012 年度はまだ 3,100 億円程度であるが 、未成熟であり、開発余地がかなり大きいことから、今後年 21.3%の非常に高い割合で成長 が見込まれている。特に、今後電気自動車市場拡大に伴う需要が期待される自動車用二次電 池や、大規模な導入が見込まれる定置用二次電池においては、今後めざましい市場拡大が期 待される。 ・ 一方、二次電池の新たな市場への導入に関しては様々な課題をクリアしていかなければなら ない。たとえば、家庭で使用される定置用二次電池に関しては、現在のところ購入費用が高 すぎ、バッテリー寿命以上に回収期間を要することから、本格的な普及にあたっては現在の 半額以下にコスト低減することが必要不可となっている。 市場規模 Stepwest Corp Feb. 2014 98 エネルギー保存システム ・ 市場規模に関しては、自動車用、定置用ともに潜在的需要は非常に大きく、技術革新ととも に飛躍的に拡大することが予想される。 ・ ある程度市場が確立されているモバイルデバイス用に関しても、売上が好調なスマートフォ ンやタブレットに牽引され、引き続き堅調な伸びが期待される。自動車用二次電池について は、後述する様に、2010 年の 108 億円より、2020 年には 2 兆 8000 億円まで急速な市場拡大 が予想されている。 ・ 定置用二次電池の市場動向に関しては、太陽光発電と風力発電の出力抑制がない場合、2020 年には 800 兆円規模に達すると試算されており、自動車用二次電池を大きく上回るビジネス チャンスが期待される。 ・ 出力抑制がある場合、200 兆円程度まで大幅に縮小するが、それでもなおポテンシャルは大 きい。携帯デバイス用は現在二次電池の最大市場であり、2013 年度は約８千億円規模である 。1 兆２千億円となる 2015 年度には、高成長率の自動車用二次電池に追い抜かれると予想さ れているが、それでもなお将来にわたり確実な市場拡大が期待される。94,9596 図 7-1 あ定置用蓄電池の累計市場 （出典：「世界スマートシティ総覧 2012」、日経ＢＰクリーンテック研究所） 94 95 96 http://www.dbj.jp/pdf/investigate/area/kansai/pdf_all/kansai1303_01.pdf http://ciicz.jp/jigyo/pdf/nen/h24-1.pdf http://www.nikkei.com/news/print-article/?ng=DGXNASFK11014_R11C11A1000000 Stepwest Corp Feb. 2014 99 エネルギー保存システム 7.2.各アプリケーションの特徴 7.2.1. 各マーケットの特徴 エネルギー貯蔵方式は、その目的（アプリケーション）によって、特徴や要求項目（優先順位） が異なるが、その主な物を下表に纏める。97,98,99 特徴 要求特性 自動車用二次電池 定置用二次電池 携帯デバイス用二次電池 ・ 携帯デバイス向 けとは異なり、コモディ ティ化していないため、 技術力を保持する日系メ ーカーが競争力を保持。 ・ 走行距離等品質 改善と同時に、コスト削 減が求められる。 ・ ・ピークシフト 及び停電時のバックアッ プ対策としても期待され る。 ・ 高エネルギー密 度 ・ （コンパクト化 ） ・ 安全性 ・ 耐久性 ・ 再生可能エネルギーの大幅 導入が必要不可欠な中、系 統安定化および余剰電力活 用の対策として定置用二次 電池導入が非常に注目され ている。 ・ 揚水発電と同程度までコス ト削減が最大の課題として 、開発が進められているが 、大半は実証段階であり、 マーケットは未成熟。 ・ 市場はある程度成熟してい るが、今後もスマートフォ ンやタブレットの売り上げ に後押しされ、市場は順調 に成長を続ける見込み。 ・ 技術もある程度確立されて いることから、新興国メー カーが台頭してきており、 今後ますます価格競争が激 しくなる。 ・ 短時間の充放電繰り返しや 幅広い充放電変動に対応で きる技術的要素 ・ 電池残量や電池寿命の正確 な管理 ・ 安全性 ・ 耐久性 なお、長周期の変動吸収目的 か、短周期の変動吸収目的か によって、要求特性は変わっ てくる。 ・ 揚水発電の他、現在実用化 さ れ て い る の は 、 CAES と NAS 電池。 ・ フロー電池は、実用化の一 歩手前まできている。 ・ 各電池に期待される性能向 上 ・ リチウムイオン電池：安全 性、温度特性改善、過充電 耐性、リサイクル技術 ・ 鉛蓄電池：充放電効率向上 、劣化抑制、集電体腐食抑 制、メンテナンス性向上 ・ ニッケル水素電池：充放電 効率向上、自己放電抑制、 温度特性、レアアースレス ・ NAS 電池：安全性、エネル ギー効率向上、リサイクル 技術 ・ レドックス・フロー電池： 環境適合性、耐久性、エネ ルギー密度向上、補機用エ ネルギー低減、資源制約緩 和、メンテナンス性向上、 エネルギー効率向上 ・ 高容量化 ・ 軽量化、フレキシブル→ラ ミネート型への置き換えが 進む ・ 安全性 リチウムイオン電池、ニ ッケル水素電池が自動車 用では主要 将来的には、リチウムイ オン電池よりエネルギー 密度の高い金属・空気電 池(Al, Li, Zn 等)や、金 属 負 極電 池 (Al, Ca, Mg) への移行が期待される。 使用技術（現在 及び将来） 97 98 99 ・ リチウムイオン電池、ニッ ケル水素電池が主要である が、今後の成長率はリチウ ムイオン電池の方が格段に 高い NEDO ロードマップ２０１３ 蓄電池戦略 建築コスト管理システム研究所 http://www.ribc.or.jp/research/pdf/report/report34.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 100 エネルギー保存システム プレイヤー 7.2.2. ・ オートモーティ ブエナジーサプライ (AESC) ・ リチウムエナジ ージャパン(LEJ) ・ パナソニック ・ プライムアース EV エナジー(PEVE) ・ ブルーエナジー ・ 日立ビークルエ ナジー ・ 東芝 ・ ・LG 化学 ・ 鉛蓄電池：パナソニック、 GS ユアサ、古河電池、新神 戸電機等 ・ NAS 電池 ：日本ガイシ ・ レドックスフロー：住友電 気工業 ・ ニッケル水素電池：川崎重 工業、FDK ・ リチウムイオン電池：パナ ソニック、ソニー、日立マ クセル、NEC、東芝、GS ユ アサ、エリーパワーなど ・ サムソン SDI、 ・ パナソニック、 ・ LG 化学、 ・ ソニー・エナジー・デバイ ス、 ・ ATL 地域別のバッテリーメーカー売り上げ占有率動向 ・ 二次電池の中で、将来的に地域別市場シェアが最も変化するであろうとみられるのは、最も 成長率の高いリチウムイオン電池であると予想される。 ・ リチウムイオン電池が市場に投入されてまもない 2000 年の地域別市場シェアは、日本が 94 ％、韓国が 3％とリチウムイオン電池の開発を進めてきた日本が圧倒的なシェアを誇ってい た。 ・ しかしながら、技術の確立とともに、サムソンＳＤＩなど韓国メーカーが台頭をはじめ、 2005 年度には日本はシェアを 72％にまで落とし、2010 年度には、日本が 42％、韓国が 39％ と市場をほぼわけあう結果となった。 ・ また中国等新興国の台頭もみられるようになってきており、今後はいかに品質を維持しつつ コスト削減ができるか、という点がシェア獲得の大きなポイントとなってくる。 ・ 一方で、自動車用二次電池では、研究開発途上であることもあり、現在は日本が８割程度の シェアを有している。 ・ ただし、電気自動車の本格的な普及により今後飛躍的な成長が期待されることから、韓国や 中国等の企業が本格的な参入のチャンスを狙っており、確実に市場競争は激化していくもの と見られる。100 7.3.各二次電池の主なプレイヤー 各二次電池毎に各地域の主要バッテリーメーカーを下表に纏める101,102,103,104 100 101 102 103 104 http://www.enecho.meti.go.jp/info/committee/kihonmondai/28th/28sankou2-2.pdf http://www.dbj.jp/pdf/investigate/area/kansai/pdf_all/kansai1303_01.pdf http://www.fas.org/sgp/crs/misc/R41709.pdf http://www.enersys-japan.com/EnerSysJapan_090415.pdf http://www.indexpro.co.jp/ Stepwest Corp Feb. 2014 101 エネルギー保存システム 日本 リチウム イオン電池 ニッケル 水素電池 鉛蓄電池 ニカド電池 NAS 電池 全固体電池 （研究開発段階 ） レドックス・フ ロー電池 ナトリウムイオ ン電池 中国・韓国 北米 ヨーロッパ パナソニックグルー プ ソニー ＧＳユアサグループ 日立グループ 東芝 三菱重工 ＮＥＣグループ パナソニックグルー プ 川崎重工業 ＦＤＫ 東芝 古河電池 ＧＳユアサ 古河電池 パナソニック 新神戸電機 ナカノ サムソン SDI LG 化学 ATL BYD SK イノベーション Coslight Group BAK Battery Lishen Battery BYD Golden Power EEMB ＡＥＳエナジースト レージ Ａ１２３ サフト シーメンス ― ― 各国の国内向けの中小 のメーカーが多数存在 する FIAMM パナソニック ソニー 東芝 ＧＳユアサ 古河電池 日本ガイシ 東京電力 トヨタ自動車 出光興産 ＮＴＴ サムスン横浜研究所 住友電気工業 ― EnerSys Concorde Battery North Star ACDelco EXIDE C&D East Penn ― ― ― ― プルーデントエナジー ― ― サフト トヨタ自動車 住友電気工業 住友化学 7.4.自動車用マーケットの動向 7.4.1. 自動車用マーケットの概要 ・ 自動車のグローバル市場は、新興国を中心に拡大を続けているが、その中で次世代自動車 （ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車等）に関しては、先進国を中心 に成長していくと予想されている。 ・ 2000 年頃より、日米欧アジアの各自動車メーカーは電気自動車やハイブリッド車に力を入れ だした。しかし、各社の期待に反して、2013 年時点では当初の計画よりも大幅に少ない販売 に終わっている。 ・ しかし、日本国内でも新車販売数に占める次世代自動車(HEV, PHEV, EV)の割合は伸び、政 府の積極的支援がある場合、2030 年には、次世代自動車の販売数が新車全体の 20％から 30% に達する見込みである。 Stepwest Corp Feb. 2014 102 エネルギー保存システム ・ 日本と同様に諸外国でも、電気自動車や関連技術を将来の主要ビジネスと政府が位置づけて おり、研究開発や設備投資等への積極的な支援を行うなど、民間企業等を後押ししているこ とから、今後電気自動車のシェアが世界規模で大きく増加していくことは確実である。 ・ 短期的に見ても、世界の主要自動車メーカーが相次いで電気自動車のブランドを増やしてい ることから、2010 年には 90 万台であった世界の電気自動車販売数が、2015 年には 546 万台 、そして 2020 年には 1,746 万台まで増加すると試算されている。これを受け、電気自動車 に必要な蓄電池についても、グローバル市場は大きく成長を続ける見込みである。 ・ 自動車用二次電池としては、現在のところリチウムイオン電池とニッケル水素電池が主要で ある。2011 年下半期の自動車用二次電池の日本国内での市場規模は、前年同期比 82%増の 609 億円で、種類別ではニッケル水素電池が 1.6％増の 303 億円、リチウムイオン電池が 730.9％増の 306 億円であった。今後は、リチウムイオン電池を中心に、2016 年までに年間 平均成長率 27.5％で成長すると見込まれている。 ・ グローバル市場でも同様に、エネルギー効率の高いリチウムイオン電池の需要が高まってお り、2010 年の市場規模 108 億円と比較し、2015 年には、民生用リチウムイオン電池と同規 模の約 1 兆 500 億円、2020 年には 2 兆 8000 億円に及ぶことが予想されている。 ・ 自動車用二次電池に関しては、現在リチウムイオン電池、ニッケル水素電池ともに、日系の 電池メーカーが世界市場において大幅なシェアを有している。しかしながら、各国メーカー も政府から多大な支援を受けていることから、今後は開発競争が激化し、特に中国・韓国等 アジアの台頭が予想される。そのため、各電池メーカーは、技術革新に加えていかにコスト 削減ができるかがマーケットシェア獲得のカギとなっている。 ・ また、長期的スパンでは、リチウムイオン電池に代わる次々世代電池（革新型電池）の開発 が期待されており、全固体型電池や金属空気電池といった革新型電池の研究開発が、2025 年 〜2030 年頃の実用化を視野に進められている。 ・ 電気自動車は、本来の移動用としての手段に加えて、将来的にはピークシフト及び停電時の バックアップとしての利用にも期待がよせられている。例えば、標準家庭一日あたりの電力 需要 12kWh と比較し、ニッサンのリーフの蓄電池容量は 24kWh、テスラ社のモデル S は 60kWh/85kWh に及ぶ。 ・ そのため、今後は家庭での利用も視野に入れた技術開発が実施され、二次電池の性能向上へ も大きく期待がかかるところである。105 105 http://car.watch.impress.co.jp/docs/news/20120522_534513.html Stepwest Corp Feb. 2014 103 エネルギー保存システム 7.4.2. 自動車メーカーとバッテリメーカーの相関図 下図に、自動車メーカーとバッテリーメーカーの相関図を示す。日本の自動車メーカーの場合、 電池メーカーと合弁会社を構成して、技術の囲い込みと確実なバッテリーの販売先の確保するケ ースが多い。（日産と NEC の合弁、三菱自動車と GS ユアサの合弁、トヨタ自動車とパナソニック の合弁、ホンダと GS ユアサの合弁、ほか。 ）106,107 これは、双方に巨額の投資が絡み、また安全性の担保や開発の長期化等よるリスクを避ける為の 戦略であった。 しかし、近年、日立系列の各社や、東芝等のように、独立系の会社から自動車メーカーへのバッ テリーの供給が増えてきた。 自動車メーカーは２社購買を原則とする為、合弁会社からの調達だけには頼れなくなってきてい る面もある。 また、テスラ社の様に、バッテリーメーカーからは 18650 のセルのみを購入し、バッテリーパッ クの製造（組立）は自社で行う自動車メーカーもある。 大手のトヨタ自動車、日産、ホンダ、GM 等は、自社内でも次世代のバッテリーに向けた研究開 発を活発に行っている。 106 107 富士経済「２０１２電池関連市場実態総調査上巻」 http://ednjapan.com/edn/articles/0809/01/news135.html#l_0809tb01-01fig.jpg Stepwest Corp Feb. 2014 104 エネルギー保存システム トヨタ自動車 本田技研工業 日産自動車・ルノー テスラ トヨタ自動車 プライムアース EVエナジー ブルーエナジー オートモーティブエ ナジーサプライ ジェネラルモーターズ フォードモーター 本田技研工業 ＧＳユアサ 日産自動車 リチウムエナジー ジャパン ＮＥＣ ＮＥＣトーキン フォルクスワーゲン ダイムラー パナソニック 東芝 三菱商事 富士重工業 日立ビークルエナ ジー 三菱自動車工業 マツダ 三菱自動車工業 日立製作所 ＬＧ化学 新神戸電機 ＰＳＡプジョーシトロエン マグナインターナショナル パナソニック （三洋電機） 日立マクセル スズキ いすゞ自動車 ＢＹＤ 三菱ふそうトラック・バス クライスラー・フィアット ＳＢﾘﾓｰﾃｨﾌﾞ サムソン 長安汽車 ＢＭＷ ＢＹＤオート 図 7-2 自動車メーカーとバッテリーメーカーの関係（各種公表資料を元に Stepwest が作成） Stepwest Corp Feb. 2014 105 エネルギー保存システム 7.4.3. 自動車用二次電池の概略と必要とされる性能・コスト・ 安全性他 ・ 自動車用二次電池に関しては、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を中心に開発 が進められており、今後は更なる航続距離（現在は 120km から 300km）、耐久性の向上、お よびコスト低減が必要とされる。 ・ さらに、二次電池自体の開発に加えて、材料やマネジメントシステム、車両軽量化等電池の 性能を総合的に上げることがより重要になってきており、また生産方法改良のための大規模 設備投資も必要となってくる。 ・ NEDO の２０１３ロードマップより自動車用二次電池の性能、コスト、安全性について、現状 及び将来の予想を下表に纏める。108 ・ エネルギー密度・出力密度に関しては電池パックベース（セルベースではない）、寿命に関 しては一般に求められる「5 年、10 万 km」の性能保証を前提に試算したものである。 現状(2013) 将来(2020) エネルギー密度：30-50Wh/kg 出力密度：1,400-2,000W/kg 走行距離：25-60km カレンダー寿命：5-10 年 エネルギー密度：200Wh/kg 出力密度：2,500W/kg 走行距離：60km カレンダー寿命：10-15 年 エネルギー密度 重視タイプ (EV 用) エネルギー密度：60-100Wh/kg 出力密度：330-600W/kg 走行距離：120-200km カレンダー寿命：5-10 年 エネルギー密度：250Wh/kg 出力密度：1,500W/kg 走行距離：250-350km カレンダー寿命：10-15 年 出力密度重視タイ プ(HEV, PHEV 用) 約 50 万円（約 10-15 万円／kWh） 約 20 万円（約 2 万円／kWh） エネルギー密度重 視タイプ(EV 用) 110-240 万円（約 7-10 万円／kWh ） 50-80 万円（約 2 万円／kWh） 出力密度 重視タイプ (HEV, PHEV 用) 性能 電池パッ クのコス ト バッテリーのみによる長距離走行が必要なため「高エネルギー密度」が必要な電気自動車(EV)向 けと、一方起動時に多くバッテリー＋モーターを使うため瞬発力が必要なため「出力密度」を高 めたいハイブリッド車向けの２つに分かれている。 なお、「高エネルギー密度重視型」では電荷がより多くたまるように電極を厚くしたり、「出力密 度重視型で」は電極を薄くして表面積を大きくし電荷を一気に放出する等の工夫を二次電池メー カーはこらしている。 108 NEDO ロードマップ２０１３蓄電池戦略 Stepwest Corp Feb. 2014 106 エネルギー保存システム 7.4.4. 各電気自動車メーカーが用いているバッテリーの種類 ・ HEV、PHEV、EV ともにリチウムイオン電池が主流となってきており、各バッテリーメーカー の大手自動車メーカーへの供給は以下の図 に示すとおりである109。（なお、トヨタのプリ ウスでは、「ハイブリッド車(HEV)」のほとんどの車種では 2014 年現在も、ニッケル水素電 池を用いている。「プラグインハイブリッド(PHEV)」と「７人乗りのプリウスα」はリチウ ムイオン電池である。 ） ・ また、アイドリングストップ車向けの二次電池は、エンジンルームに置く関係で、ニッケル 水素電池が主流になるという見方もある。110 ・ 搭載する二次電池の容量は、大きい方から、電気自動車(20kWh〜85kWh)→プラグインハイブ リッド車(5kWh〜10kWh)→ハイブリッド車(1kWh〜5kWh)→アイドリングストップ車(0.5kWh〜 1kWh)、の順となる。 ・ アイドリングストップ車には、二次電池では無く、キャパシターを搭載する車種もある。 ・ バッテリーメーカーが、電池パックまで製造して納品するケースと、セルのみ納品し自動車 メーカーがバッテリーパックを組み立てるケースがある。 ・ 車載用リチウムイオン電池は汎用化に至っておらず、品質向上と同時にコスト削減に向けた 試行錯誤が行われているところであるため、自動車メーカーは１社のバッテリーメーカーに 頼るのではなく、複数社から調達しているのが現状である。 ・ 欧州の自動車メーカーは特にその傾向が強く、また日系自動車メーカーはリチウムイオン電 池の合弁事業に乗り出しているものの、やはり複数社から調達を行っている。また、最近は 東芝など独立系メーカーの受注拡大や、エリーパワーなど新規企業の参入など、新たな動き もみられる。111,112,113 109 日本政策投資銀行 http://www.dbj.jp/pdf/investigate/area/kansai/pdf_all/kansai1212_02.pdf https://reports.btmuc.com/fileroot_sh/FILE/information/120807_01.pdf 110 http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/02/jn140213-2/jn140213-2.html 111 http://e2a.jp/review/090813.shtml 112 http://www.evgonetwork.com/electric-car-brands/ 113 https://reports.btmuc.com/fileroot_sh/FILE/information/120807_01.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 107 EV PHEV HEV EV フォルクスワーゲ ン 三菱自動車工業 ＰＳＡプジョーシ トロエン マグナインターナ ショナル スズキ いすゞ自動車 三菱ふそうトラッ ク・バス ｸﾗｲｽﾗｰ･ﾌｨｱｯﾄ 長安汽車 ＢＭＷ ＢＹＤオート Stepwest Corp EV EV EV EV EV PHEV HEV EV LG 化学 EV HEV EV PHEV HEV EV PHEV HEV EV PHEV HEV ダイムラー マツダ EV EV EV フォードモーター 富士重工業 BYD 日産自動車・ルノ ー テスラ ジェネラルモータ ーズ SB ﾘﾓｰﾃｨﾌﾞ PHEV HEV 本田技研工業 東芝 PHEV HEV 日立ﾋﾞｰｸﾙｴﾅ ｼﾞｰ EV ブルーｴﾅｼﾞｰ ﾊﾟﾅｿﾆｯｸ（旧 三洋電機） トヨタ自動車 ﾌﾟﾗｲﾑｱｰｽ EV ｴﾅｼﾞｰ ﾘﾁｳﾑｴﾅｼﾞｰｼﾞ ｬﾊﾟﾝ ｵｰﾄﾓｰﾃｨﾌﾞｴﾅ ｼﾞｰｻﾌﾟﾗｲ エネルギー保存システム EV PHEV HEV EV EV EV EV EV EV PHEV HEV EV PHEV HEV PHEV HEV EV PHEV HEV PHEV HEV PHEV HEV EV EV EV Feb. 2014 108 エネルギー保存システム 7.4.5. 主な自動車向け二次電池製造メーカー オートモーティブエナジーサプライ： ・ 日産自動車、ＮＥＣ、ＮＥＣトーキンの合弁により 2007 年設立、2010 年より HEV 用電池の 本格的な量産を開始した。 ・ ＮＥＣが持つラミネート型電池セル製造技術と、日産のセル積層・パッケージング技術や電 池制御技術により、開発を推進してきた。 ・ 日産自動車・ルノー等で採用されており、生産能力は年間約 9 万台に相当する。 ・ 日産自動車・ルノーは、2013 年までは当初の計画（2016 年度までに EV 累計販売台数 150 万 台）を大幅に下回っていたが、主力ブランド「リーフ」が 2014 年 1 月にも累計販売台数 10 万台を超え、トヨタ自動車の「プリウス」を大幅に上回るペースで大台に到達する勢いであ り、特に米国での販売が好調となっている。 リチウムエナジージャパン： ・ ＧＳユアサ、三菱商事、三菱自動車工業の合弁により 2007 年に設立された。三菱自動車工 業およびＰＳＡプジョーシロエンで採用されている。生産能力は年 15 万台に相当する。 ・ バッテリーを供給するＧＳユアサは、ボーイング 787 の発火事故、三菱電機自動車のアイミ ーヴ等発火事故など、2013 年は様々な問題点が浮き彫りとなったが、次世代リチウムイオン 電池の開発に向け、ドイツのボッシュと提携するなど、さらなるシェア拡大に向け戦略的な 動きをみせており、将来的は、自動車用に加え、産業用機械、電力貯蔵用等への展開を視野 に入れている。 パナソニック： ・ 三洋電機の事業を継承し、トヨタ自動車、フォードモーター、フォルクスワーゲン、テスラ で採用されるなど、2011 年まで世界トップのシェアを有していた。しかし、その後低迷、関 連事業において 2013 年にリストラを実施し、従業員を 20%削減するなど事業縮小を余儀なく された。 ・ しかし、2013 年 5 月にテスラ向けセルの出荷が２億個を越えた事を発表し、また 10 月には 今後 2017 年までの 4 年間に約 20 億セルの供給が予定されるなど、明るい兆しが見えている 。2013 年度中には、200 億円規模の設備投資を計画しており、来年以降には、関連工場の人 員を別工場より約 300 人配置転換する予定である。（なお、テスラ社のモデル S の１台には 、パナソニック社のセルが 7,000 個以上搭載されている。） ・ アイドリングストップ車向けにニッケル水素電池の供給を 2014 年から開始とアナウンス114。 プライムアース EV エナジー： ・ 1996 年設立のトヨタ自動車とパナソニックに合弁会社。設立当初よりニッケル水素電池を扱 114 http://car.watch.impress.co.jp/docs/news/20130215_587906.html Stepwest Corp Feb. 2014 109 エネルギー保存システム っていたが、2011 年には HEV/PHV 用リチウムイオン電池(三元系 NCA)の本格量産も開始した 。 ・ HEV の販売好調を受けて、2015 年よりニッケル水素電池の生産能力を現行より 30%増の年 40 万台に引き上げるため、約 100 億円の設備投資を決めた。 ・ 自動車用二次電池のトータルシステムの提供を強みとしている。 ブルーエナジー： ・ ＧＳユアサ、ホンダの合弁により 2009 年設立、2011 年より量産販売を開始した。ＧＳユア サの高出力型リチウムイオン電池をベースに研究開発を推進している。 ・ 生産能力は、ホンダ「シビック」で年間 12 万 5 千台に相当するが、2013 年以降ホンダが新 型車を投入する計画を示し、生産能力を 3 倍まで引き上げる予定である。 日立ビークルエナジー： ・ 日立製作所、新神戸電機、日立マクセルの共同出資により 2004 年に設立された。2012 年度 は世界シェア第 3 位の 13.5%を獲得。 ・ 生産拠点は日本国内に三ケ所（ひたちなか、彦根、京都）。 東芝: ・ 2008 年より同社が開発した安全性の高い新型二次電池 SCiB の量産を開始し、ホンダ「フィ ット」や三菱自動車「アイミーヴ」などでの採用実績がある。 ・ 2012 年には、2011 年新規建設の柏崎工場に生産体制を集約し、開発の効率化、スピードア ップにより、さらなる事業の拡大を図っている。115, 116 115 http://www.toshiba.co.jp/about/press/2012_10/pr_j2402.htm 日本政策投資銀行 http://www.dbj.jp/pdf/investigate/area/kansai/pdf_all/kansai1307_01.pdf http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1301/22/news017.html 116 Stepwest Corp Feb. 2014 110 エネルギー保存システム 7.4.6. 自動車向け二次電池のトピックス- テスラの動向-117 ・ テスラモーターズは、2003 年にＩＴエンジニアで Paypal 創業者でもある Elon Musk(イーロ ン・マスク)氏により設立された電気自動車専門メーカーである。 ・ スポーツカータイプの電気自動車「テスラ・ロードスター」の販売を 2008 年に開始し、 2012 年時点では世界で 2,500 台の販売実績をあげた。 ・ 2010 年には、トヨタ自動車から 5,000 万ドルの出資を受けるとともに、米エネルギー省から ４億 6,500 万ドルの融資保証を受け、ジェネラルモーターズとトヨタ自動車の製造合弁企業 がサンフランシスコ郊外フリーモントに所有していた工場、NUMMI を購入した。NUMMI はジ ェネラルモーターズの経営破綻により合弁が解除され、トヨタ自動車独自では採算が合わな いことから、閉鎖に陥っていた。 ・ 2012 年に販売が開始されたセダンタイプの「モデルＳ」は、テスラ社初の量産車であり、 2013 年以降は年間２万台の生産を予定している。 ・ モデルＳは大容量リチウムイオン電池を搭載する。 ・ モデル S の電池容量は、60kWh と 85kWh の 2 種類ある。 ・ 電池パックには、パナソニック製の 18650 タイプのセルが 7,000 個以上搭載されている。こ のセルの正極はニッケル系である。 ・ 85kWh の車種は、満充電からの走行距離が 300 マイル(約 500km)である。 ・ またリチウムイオン電池モジュールを堅牢なアルミ製シャシーの中に配置し、低重心にする ことで走行性能向上を実現している。 ・ 2013 年 の 全 世 界 で の 販 売 台 数 は 当 初 の 予 想 以 上 の 22,450 台に到達した。 ・ モデルＳの生産は、旧 NUMMI の工場で、バンパーの生産 、ボディパネルのプレスから塗装、内装組立まで一貫し て行われている。主要部品の 95%は工場内で生産されて おり、電池に関しても、サプライヤ（パナソニック）か ら購入したリチウムイオン電池を同工場にてモジュール 化し、電池パックを組み立てている。 ・ 通常は、バッテリーメーカーがセルの製造からパッケー 図 7-3 テスラ社が用いる 18650 型のセル（出典：テスラ社） ジングまで行い、自動車メーカーへの納品後は基本的に 車体へ設置する工程のみであることを考えると、テスラの二次電池へのこだわりは徹底して いる。118 ・ また、テスラの電気自動車（ロードスター、モデル S）の電池パックは水冷である。ラジエ ーターに使っているのと同じ冷却液を使用している。電池パックの周囲に単純に冷却パイプ を走らせるのではなく、電池セルの間にも冷却液を行きわたらせて、均一な冷却を行えるこ とが特徴になっている。119, 120 117 118 119 120 http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1208/10/news047.html http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy_environment/energy_system/pdf/007_04_02.pdf http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1306/21/news017_3.html http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1201/24/news015_2.html Stepwest Corp Feb. 2014 111 エネルギー保存システム 7.5.定置用マーケットの動向 7.5.1. 定置用マーケットの概要 ・ 概要 現在のエネルギー主要源である石油・石炭は埋蔵量に限界があり、また原子力発電は 安全性についての懸念が広がっていることから、今後長期的には、再生可能エネルギ ーの大幅な導入拡大が世界的に必要不可欠となっている。 しかしながら、太陽光発電や風力発電のように出力が変動する発電機は、系統の安全 性に影響し、また余剰電力の浪費につながるおそれがあるとマイナスの面も指摘され ている。 そのため、これらのマイナス面をカバーすべく、変動の吸収緩和あるいは出力を一定 に制御する目的で定置用二次電池の利用に期待が寄せられている。 また、ピークカット、ピークシフト対策として、現在中核となっている揚水発電に代 わり、より立地制約が少なく、建設時間が短い他のエネルギー貯蔵システム（二次電 池やフライホイールやキャパシターを含む）の優位性にも注目が集まっている。 ・ 区分分け 「NEDO 二次電池技術開発ロードマップ 2013」に基づく定置用二次電池の区分は大き く「系統用（電力供給側） 」と｢需要家用（電力消費側）｣に分かれる。 「系統用」は、発電所や変電所（送電網の途中）に設置する大型の二次電池であり、 数分～20 分程度の出力変動に対応する「短周期変動調整用」と、それより長い出力変 動に対応する「長周期変動調整用」に分類される。 「需要家用」では、住宅、ビル、商業施設や工場など電力を需要する側に設置し、負 荷の平準化や出力変動の吸収緩和への働きが期待されている。 どちらも社会実証の段階にあり、技術開発とともに大幅なコスト削減が求められてい る。 「系統用」を更に細かく区分分けする場合もある。 ・ コスト 長周期変動調整用（数時間から数日）の二次電池では、現行の 5～10 万円／kWh から 、代替手段である揚水発電の設置コスト 2.3 万円／kWh まで削減することが必要とな る。 緊急時・災害対策用として、コストはある程度度外視して普及しているものもあるが 、現状では、事業者用定置用リチウムイオン電池のコスト回収には約 10-15 年程度要 するなど、依然として高価であり、今後コスト削減が大きな課題となってくる。 ・ 必要な蓄電容量の規模 発電所付随 数ギガワット時(100MWh 〜 2GWh) 送電網付随 数百メガワット時(50MWh 〜 200MWh) 需要家 数十キロワット時〜数メガワット時(10kWh 〜 10MWh) ・ 機能 二次電池の機能としては、「発電レベル」では、周波数制御や供給予備力、需要の平 滑化、また「送電レベル」では、電力品質の維持や潮流調整（混雑管理）、「変電・ 配電レベル」では、ピークカットや電圧維持が期待されている。 これらの目的での使用のために、短時間の充放電繰り返しや、充放電の幅広い変動に 対応できる技術的要素に加え、電池残量や電池寿命の正確な管理が求められる。 ・ マーケットサイズ Stepwest Corp Feb. 2014 112 エネルギー保存システム 定置用二次電池の応用に関しては、欧米諸国を中心に研究開発が活発となっているが 、マーケットはまだまだ未成熟であり、実証段階のビジネスが大半である。 規模も、2010 年〜2012 年に大半のシェアを占めた NAS 電池の年間の売り上げは 200 億円弱程度である。 しかしながら、未確定な要素が多いものの、マーケットのポテンシャルは非常に高く 、将来的には自動車用、携帯デバイス用の市場を上回る可能性も大きい。 太陽光発電、風力発電の出力抑制をしないと想定した場合、2030 年には約 1640 兆円 まで世界市場が拡大すると試算する調査もあり、エリア別では、中国市場の約 530 兆 円が最大のマーケットとなると予想されている。 再生可能エネルギーの導入が進むヨーロッパがそれに続き、また北米でも約 380 兆円 規模まで市場拡大が見込まれている。 図 7-4 定置向け蓄電装置の比較 ・ 今後 電力はこれまで発電所を含む電力系統から、商業施設や一般家庭などの需要者へ一方 的に供給されてきた。 しかし、将来的には、需要者側が太陽光発電などによって発電し、定置用二次電池に よって電力の需要供給を緩和しながら電力系統側へ逆潮流を行うなど、需要者側から 電力系統への流れも一般的となり、電気の需要・供給が双方向に行われる時代がやっ てくると期待されている。121,122,123,124 ・ 定置用二次電池に関して、貯蔵可能容量と放電可能時間の相関図を示したのが上図である。 121 http://www.ribc.or.jp/research/pdf/report/report34.pdf http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy_environment/energy_system/pdf/007_04_03.pdf http://www.nikkei.com/news/print-article/?ng=DGXNASFK11014_R11C11A1000000 124 http://www.ribc.or.jp/research/pdf/report/report34.pdf 122 123 Stepwest Corp Feb. 2014 113 エネルギー保存システム ・ 上図より、「揚水発電」は、他の方法と比べて貯蔵可能容量、放電可能時間とも格段に優れ ていることがわかる。その次に優れているのが、圧縮空気蓄電（CAES）と NAS 電池である。 ・ 一方、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、(レドックス)フロー電池は、まだコストが 高い事が課題であるが、コスト低下に伴って大型化が図られると思われる。なお、定置型蓄 電の場合、場所の制限がない場合には、無理にエネルギー密度が高いリチウムイオン二次電 池を使う必要がない。kWh あたりのコスト（初期コストとメンテナンスコスト）が重要にな ってくる。 ・ フライホイールやキャパシターに関しては、他と比べ、放電可能時間が非常に短く（数分） 、「短周期変電調整用」に用途が限られるが、起動時間が非常に短い為にアンシラリーマー ケット等で需要が増すと思われる。 Stepwest Corp Feb. 2014 114 エネルギー保存システム ・ コラム：定置用蓄電施設の設置形態 定置型蓄電装置の設置形態は、大きく言って下記の３形 態がある。 (1) コンテナ型 大型の「リチウムイオン二次電池」や「フローバッ テリー」を変電所や発電所に設置する場合は、標準 サイズのコンテナに必要な機器を収納し、これを目 図 7-5 A123 のコンテナ型 のリチウムイオン二次電池 的地にトレイラーで運び、コンテナのままで設置す るケースが多い。 A123 Systems Solution 社の場合、最大構成のコン テナ１台で 4MW(4MWh)の蓄電能力がある。125 (2) 地面設置型 日本ガイシ製の NaS 電池を設置する場合は、地面に コンクリート等で強固に固定する場合が多い。 図 7-7 チリのアタカマに設置 された 12MW/4MWh の定置型蓄電 施設：A123 のリチウムイオン二 次電池を使用（出典：Energy Storage Association のホームペー ジより） 図 7-6 AEP 社の送電網に設置 された日本ガイシ(NGK)社の NaS 電池（AEP 社のホームペー ジより） (3) 地面に設置しさらに建屋で覆う。 NaS 電池は、発火や爆発の危険も伴うので、コンクリ ート製の建屋で覆うケースもある。 図 7-8 テキサス州 Presidio 市に設置された日本ガイシの NaS 電池（出典：米国報道資 料より） 125 http://www.a123energy.com/grid-storage-technology.htm Stepwest Corp Feb. 2014 115 エネルギー保存システム 定置型の各蓄電技術毎の特徴と用途を纏める。126 用途 (Stepwest の評価による) 蓄電の 種類 長所 短所 発 送 電 網 配 所 電 数百 MWh 数十 kWh ~ 数 MWh ○ ○ ◎ ○ ○ ○ 運転時に 300℃以上加温する必 要があり、安全性が低い。 過去、発火事故を起こしてい る。 ○ ○ 技術が成熟しており、今後大 幅な改善が見込めない。 寿命が短い。鉛を使う。 △ △ △ エネルギー密度が 10Wh/kg と コンパクト化に適さない。資 源が豊富ではない。電解液循 環用ポンプを要し、電解液を 通じて電流損失が生じる。 ○ ◎ ○ ◎ ○ 数 GWh 揚水発電 CAES 圧縮空気蓄 電 化 学 方 式 低コスト(約 2.3 万円/kWh) かつ寿命が約 60 年と耐久性 の面で他と比べ格段に優位 。 揚水発電よりコスト削減の 可能性あり。寿命が長い。 技術が確立されており、実 績もある。 リチウ ムイオ ン電池 エネルギー密度が 200Wh/kg とコンパクト化に優位。メ モリー効果が小さく、高速 充電が可能であり、また継 ぎ足し充電に適している。 自己放電特性はニッケル水 素電池等より格段に良い。 ニッケ ル水素 電池 長寿命であり、環境にやさ しくリサイクルが容易。内 部抵抗が小さく、大電流放 電が可能であり、また高速 充放電が可能 NaS 電 池 鉛蓄電 池 フロー電池 フライホイ ール 溶解塩 蓄熱 資源が豊富に存在し、低コ スト(4 万円/kWh)である。瞬 時応答性、充放電エネルギ ー効率にも優れる。エネル ギー密度が 130Wh/kg とコン パクト化に適し、また大容 量化も可能。寿命も 15 年程 と比較的長い。 資源が存在し、低コスト(5 万円/kwh)である。過充電に 強く、寿命も 17 年程度と比 較的長い。リサイクル体制 が確立。 安全性が高く、また充電状 態の正確な計測・監視、大 容量化が可能。瞬時応答性 に優れる。サイクル寿命が 長い。 単純構造で内臓バッテリー がなく、メンテナンスが簡 単。低温時の性能劣化なし 。 不燃または難燃性で安全性 が高く、資源も豊富に存在 。またエネルギー密度が 需 要 家 立地条件に制約がある。稼動 までに時間がかかる(15-20 年) ◎ 立地条件に制約ある。起動か ら停止に要する時間が 20-30 分とやや長い。 ◎ 高コスト(20 万円／kWh)であり 、寿命が 6-10 年程度である。 有機電解液を用いているため 、発火の危険性があり、また 過放電・過充電に弱く、高温 化で電池の劣化が早まる。充 電時の高精度電圧制御など、 充放電時の安全性確保に手間 がかかる。 自己放電が比較的大きく、均 等化充電が必要。また発熱に 伴う適切な温度管理が必要。 水素吸蔵合金にレアメタルを 使うため、将来の供給不安が ある。 極めて短時間しか蓄電ができ ない。特別な安全対策が必要 。 運転時に高温に加温する必要 がある。 ◎ 126 http://ciicz.jp/jigyo/pdf/nen/h24-1.pdf 経済産業省 蓄電池戦略 http://www.nedo.go.jp/content/100544824.pdf http://sanyu-group.com/techno/userbox/data/conserve%20energy.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 116 エネルギー保存システム 290Wh/kg とコンパクト化に 非常に適している。 太陽熱発電所付随が多く、 昼間の余熱で数時間発電が 続く。 主な定置用蓄電方式の初期コストと耐用年数を下表に纏める。 揚水発電 NAS 電池 鉛蓄電池 ニッケル水素電池 リチウムイオン電池 7.5.2. 初期コスト 約 2.3 万円／kWh 約 4 万円／kWh 約 5 万円／kWh 約 10 万円／kWh 約 20 万円／kWh 耐用年数 約 60 年 約 15 年 約 17 年 約 5-7 年 約 6-10 年 定置用の各セグメントの動向 ・ 現在、定置用の充電施設としては「揚水発電」が最も大きなシェアを占めているが、今後、 レドックスフロー電池、リチウムイオン電池、NAS 電池、CAES 電池等が大容量貯蔵用として 大幅に拡大すると見込まれている。127,128,129 動向予測 発電所における設 置 送電・配電網 （変電所に設置す るケースが多い） 需要家設置 （中規模グリッド 、工場・ビル、集 127 128 129 揚水発電がコスト面、耐用年数ともに二次電池に比べて格段に優れてい るが、立地条件の難しさや工事期間の長さ等より、今後の伸びは期待出 来ない。 現在、大きな割合を占める揚水発電の容量にも限界があることから、各 蓄電池の大型化を実現する技術開発が必要であり、揚水発電と同額の設 置コストの達成し、６～７時間の連続充放電の可能化が望まれる。 一方、再生可能エネルギー発電（風力、太陽光、太陽熱発電）では、発 電量の変動を発電所レベルで抑える為に、積極的に蓄電装置の導入を図 りだした。 IPP(Independent Power Provider)による発電施設の場合、電力を買い取 る電力会社の要請により、変動を抑えなければいけない。 短周期・長周期ともに 2020 年前後の導入が想定されている。 エネルギーの長期需給見通しによると、2030 年時点での再生可能エネル ギーの占める割合が 25～35%となるよう大量導入が不可避な状況となって いる。 2013 年に量産化が着手されたレドックスフロー電池は系統用に適してお り、今後 NAS 電池とともにシェアを大きく占めることが予想される。 NAS 電池は大容量、高エネルギー密度、長寿命、コンパクト、安定した電 力供給能力などの利点により 2010 年までは二次電池の中で大きくシェア を獲得していたが、2011 年の火災事故以降、出荷数が激減した。 アンシラリーサービスが整備されている米国では、リチウムイオン電池 の導入が有望であり、注目されている。 普及に向け早急にコスト削減を実現するため、公的補助金支給が必要不 可欠である。 リチウムイオン電池は、需要拡大による量産効果によりコスト低減が有 http://www.greencarcongress.com/2011/07/pike-20110718.html 経済産業省「蓄電池戦略」p11-13 http://www.globe-net.com/articles/2011/july/20/energy-storage-technologies-to-reach-$122-billion-by-2021/ Stepwest Corp Feb. 2014 117 エネルギー保存システム 合住宅用、家庭用 ）レベル 効であり、2016 年には 2011 年と比較し、価格が 54.5%まで低下すると予 想される。 また、エネルギー密度向上など、技術進歩が期待される。 事業者用リチウムイオン電池のコスト回収には、10～15 年用する。 家庭用リチウムイオン電池については、普及に際し電力料金制度の見直 し等が不可欠である。 7.6.携帯デバイス用マーケットの動向 7.6.1. 携帯デバイス用マーケットの概要 ・ 携帯デバイス向け二次電池は、携帯電話やノートパソコン、デジタルカメラなどが急速に普 及し始めた 1990 年代後半以降、二次電池市場の拡大を牽引してきた。 ・ 特にリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、コンパクト化に適しているため、その 需要は顕著に増加を続けており、2013 年の世界市場では、容量ベースで前年比約 120％の成 長が見込まれている。高成長率に牽引したのは、スマートフォンやタブレット端末である。 ・ 一方、これまで二次電池の需要を牽引してきたノートＰＣや従来の携帯電話向けは、2012 年 に一転前年を下回る結果となった。2014 年以降は、成長率が徐々に鈍化していくと予想され ているが、より高容量電池が必要とされる傾向にあるため、容量ベースは数量ベースを上回 る伸びで推移するとみられている。 ・ 世界的な生産規模を誇るパナソニックやソニー、サムスン SDI、LG 化学、BYD などは、これ ら携帯デバイス向け二次電池を主力として事業を世界市場に拡大し、今後もスマートフォン やタブレット向け等ポテンシャルの高い分野へ積極的に事業を展開していくことが予想され る。 ・ 技術面に関しては、各デバイスの高性能化にも伴い、高容量化への期待が引き続き高くなっ ている。 ・ これまで年プラス 8%程度で容量アップされてきたが、ある程度技術も確立してきていること から、今後同様の割合で容量アップを継続することは難しく、2015 年頃を目途に一段落する ものとみられる。 ・ リチウムイオン電池の種類に関しては、従来の円筒型や角形に加え、フレキシブルで軽量化 に適したラミネート型に注力するメーカーが増えており、今後ラミネート型への置き換えが 進んでいくものと見られる。 ・ 円筒型はノートＰＣの需要縮小を受け、前年を下回って推移しており、角形は、スマートフ ォン向けで需要が安定しているものの、従来の携帯電話やデジタルカメラの需要縮小を受け 、長期的には成長率が鈍化すると見込まれる。 ・ スマートフォン等と同様に、電動工具向け市場へのリチウムイオン電池の需要が高まってい る。従来はニカド電池やニッケル水素電池が使用されてきたが、これらの置き換え需要が高 まっており、また円筒型を取扱うメーカーの同市場へのマーケティングが活発化しているた めである。130, 131 130 131 http://ciicz.jp/jigyo/pdf/nen/h24-1.pdf http://www.yano.co.jp/press/pdf/1126.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 118 エネルギー保存システム 7.6.2. 119 携帯デバイス向けの今後の動向予想 ・ 携帯デバイス向けの二次電池の市場全体は、堅調な伸びが予想されているが、中でも携帯電 話、ノートＰＣ、タブレット等の需要拡大が期待されるマーケットへの二次電池の使用拡大 が期待されている。132 2025 LIB FORECASTS FOR PO ELECTRONIC DEVICES 前者は前年比 102%で、後者は前年比 98%前後でしばらくは安定すると見られている。 ・ 携帯デバイス向け小型二次電池の市場を電池の種類別に見ると、2013 年度は、リチウムイオ ン電池の需要が 42 億セルとなっており、ニッケル水素電池が 9 億セルと予想されている。 133 2000-2025 LIB market, MWh, by application (3C) 120 000 100 000 The worldwide Battery market 2012-2025 2000-2025 LIB by form factor ( Others 8000 Household devices 7000 Toys 6000 MP3 80 000 M cells/year ・ BATTERIES 2013 October 14-16, 2013 Nice, FRANCE MWh Video Games 60 000 Digital Camera Camcorders Cordless Phones Tablets 0 2000 2000 2005 2010 2012 2015 2020 2025 Cellular Phones 図 7-9 携帯デバイス用リチウムイオン電池の将 Source: AVICENNE ENERGY Analyses 来動向（単位は MWh） （出典：米国の調査会社の 2005 Li-P Li-ion Li-ion Takes (1) Source: Takeshita, Battery Ja 132 http://www.avicenne.com/pdf/The%20worldwide%20battery%20market%2020122025%20C%20Pillot%20BATTERIES%202013%20Nice%20October%202013.pdf 133 http://www.baj.or.jp/statistics/19.html Stepwest Corp 3000 1000 Portable PCs Christophe PILLOT + 33 1 47 78 46 00 [email protected] 4000 2000 40 000 20 000 5000 Feb. 2014 エネルギー保存システム 8. エネルギー貯蔵システムへの政策状況 8.1.政策支援の目的 再生可能エネルギーを用いた発電や各種の電動自動車は、電力不足や資源枯渇、地球温暖 化等への対応策として注目され、過去数年間その適用を増やしてきた。しかし、再生可能 エネルギー発電に伴う不安定さや電力網の安定化の為や、ガソリン車に匹敵する航続距離 や価格を達成には、大型で廉価なエネルギー貯蔵技術が必要となる。 これらのエネルギー貯蔵技術（二次電池）を市場に投入するためには、研究開発に対する 政府主導のサポートが必要不可欠となっている。各国政府は、自国のビジネスチャンスと とらえ、グローバル市場でのシェアを獲得すべく、研究機関や企業に対して積極的な開発 投資を行っている。 車載用二次電池や電力網向け電力貯蔵、民生用二次電池に関しては、市場参入に際して、 コスト面が大きな課題となっている。電気自動車は価格引き下げに向け各メーカーによる 努力が続けられているところではあるが、補助金が支給されたとしてもガソリン車よりも 高価であり、購入時にかかる負担が大きい。 たとえば、三菱自動車の iMiEV の購入価格は補助金適用後で 280 万円程度であるが、同等 グレードのガソリン車の購入価格は 170 万円程度となっており、補助金がなければ 2 倍程 度高額となり、たとえ購入後の電気代がガソリン代と比較して極めて低額であったとして も、初期費用の回収にかかる期間は非常に長く、購入段階で消費者を惹きつけることは極 めて困難である。 そのため、電気自動車のさらなる普及のためには、本体そのものへの補助金に加え、二次 電池のコストを抑え、他国メーカーとの価格競争を勝ち抜くための研究開発事業への投資 も必要不可欠となっている。 電力網向け二次電池についてもコスト面が大きな課題となっており、市場へ参入するため には、大幅なコストダウンが必要であり、補助金等による政府の後押しなしに実現するこ とは極めて難しいと考えられる。 8.2.北米（アメリカ）の政策・補助金について 米国では、2009 年に打ち出されたグリーン・ニューディール政策により、太陽光や風力と いった自然エネルギーの活用、電気自動車の普及、エネルギー安全保障問題などに注目が 集まり、１０年で 1,500 億ドルの投資、2015 年までに 100 万台の電気自動車を普及させる といった政策が出された。 しかしながら、シェール革命により、埋蔵量が豊富で CO２排出量の少ないシェールガスを 原料とした安価な電力の大量生産にある程度の目途がつき、スローダウン気味である。そ の結果、二次電池関連の需要は伸び悩み、リチウムイオン電池メーカー、A123 システムズ などベンチャー企業の破綻が 2012 年以降相次ぐこととなった。 しかしながら、停電対策や電力ピーク需要の緩和、自然エネルギーの活用など電力の安定 的な供給に向け、二次電池の活用は必要不可欠となっている。 米国には民間も含め電力会社が 3,000 社以上あり、地域による縦割り構造となっている。 そのため、各電力会社が単独に対策を行うだけでは非常に効果が限定的であり、産業構造 全体に二次電池を普及させるためには、州および連邦単位での取り組みが必要となる。134 問題点 134 http://www.kddi-ri.jp/pdf/KDDI-RA-201209-01-PRT.pdf http://diamond.jp/articles/-/39707 http://kuruma-electricvehicle.com/hikaku/keizaisei.html Stepwest Corp Feb. 2014 120 エネルギー保存システム A123 Systems の様に、連邦政府や州政府の補助金や融資保証（Loan Guarantee）を受けた 会社がその後経営困難に陥り、最終的に中国企業に買収されたりしており、そのあり方に 対する批判も多い。 8.3.米国の連邦レベルと州レベルの政策・補助金等の内容 米国における、連邦および州政府主導のエネルギー貯蔵に関する主要な政策を下表にまとめる。 支援は、「規制（義務づけ）」と「補助金」の２本立てとなっている。 政策名（連邦又は州名） 内容 大学・研究所・NPO 企業等が連携し、各分野の基礎研究を実施。資 金は１社（研究機関）あたり$2-5M/年程度、5 年間続く。 蓄電技術を対象とするプロジェクトは以下のとおり。 1.電気エネルギー貯蔵センター(CEES) 1 EFRC(Energy Frontier Centers)プロジェクト （DOE:エネルギー省）135 - アルゴンヌ国立研究所他２組織 2.電気エネルギー貯蔵のための精密多機能ナノ構造の科学センター (NEES) - メリーランド大学他５組織 3.化学的エネルギー貯蔵北東センター(NECCES) - ストーニブルック大学他８組織 2 バッテリー・エネルギー貯蔵 革新拠点(Energy Innovation Hubs)の設置 （DOE:エネルギー省）136 3 4 5 6 テキサス上院法案 943 (テキサス州議会) 自家発電インセンティブプロ グラム （CPUC:カリフォルニア公共 事業委員会） カリフォルニア下院法案 1150 （カリフォルニア議会） カリフォルニア下院法案 2514 （カリフォルニア議会） アルゴンヌ国立研究所内に設置し、同研究所率いるチームに 5 年間 で最高$120M を寄与。拠点には 5 つの国立研究所、シカゴ大学他 4 大学、ダウ・ケミカル等民間企業 4 社の R&D 能力を集結させ、バッ テリーやエネルギー貯蔵の革新的進歩達成を支援。 本法案(Senator Bill : SB943)では、事業開始にあたりエネルギー 貯蔵装置・施設をテキサス公共事業委員会に PGC（電力会社）とし て登録し、相互接続が可能で電力市場に参加できることを明確化す ることが義務付けられている。 既存、又は新しい分散エネルギー源を支援するプログラムである。 需要側のメーターに設置されたシステムを用いて払い戻しを行う。 該当するのは、風力タービン、廃熱、燃料電池、エネルギー貯蔵シ ステム等である。 上記４のプログラム（約$800M）を３年間延長する法案。当プログ ラムは 2016 年 1 月まで継続して執行される。 カリフォルニア公共事業委員会によるエネルギー貯蔵システムの調 達目標設定を義務づける法案。2013 年 10 月時点において、同委員 会は 2020 年までの調達目標を 1.325GW に設定している。 （別途詳細を記述する。） 7 連邦エネルギー規制委員会規 則 719 （FERC:連邦エネルギー規制 135 136 連邦電力法の同委員会規定を改定する規則で、(1)電力不足時の需 要レスポンスおよび市場価格、(2)長期電力契約、(3)市場モニター 政策、並びに(4)地域送電機関と独立系統運用機関へのレスポンス 、の分野での改善を目的とする。 科学技術振興機構「次々世代二次電池・蓄電デバイス基盤技術」 http://www.nedodcweb.org/dailyreport/2012_files/2012-12-04.html Stepwest Corp Feb. 2014 121 エネルギー保存システム 委員会137） 8 9 大口電力市場における周波数 調整補償金 （FERC:連邦エネルギー規制 委員会） エネルギー貯蔵に関する法令 2011 （テキサス公共事業委員会） 10 11 12 13 14 15 プロジェクトナンバー39657 （テキサス公共事業委員会） プロジェクトナンバー39917 （テキサス公共事業委員会） プロジェクトナンバー39764 （テキサス公共事業委員会） プロジェクトナンバー40150 （テキサス公共事業委員会） 長期調達計画：規則制定 1203-014 （CPUC:カリフォルニア公共 事業委員会） エネルギー貯蔵技術促進パー トナーシップ （DOE:エネルギー省） 16 スマートグリッド投資補助プ ログラム （DOE:エネルギー省） 17 スマートグリッド実施プログ ラム （DOE:エネルギー省） エネルギーOIR 手続 18 137 （CPUC:カリフォルニア公共 事業委員会） 周波数調整の調達に関わる不当なレートを解消すべく、fasterramping resources への優遇を取りやめ、不当な差別を解消。 1986 年の内国歳入法を改定する法案であり、グリッドや他の目的 で使用されるエネルギー貯蔵施設への投資税額控除を付与。 SB943 の実施に関する規則制定プロジェクト。本規則では、装置・ 施設への相互接続に関して明確に示している。 SB943 の実施に関する規則制定プロジェクト第２弾。テキサス電力 信頼度協議会のエリアにおける送電サービス料金の検討。2012 年 3 月に、貯蔵施設への充電にかかるエネルギーは大口取引であると決 定。 テキサス電力信頼度協議会のエリアにおける、エネルギー貯蔵施設 の適切な配置・使用のための促進策を検討するプロジェクト。 テキサス電力信頼度協議会への特例として、同協議会が新技術・サ ービスに関して行うパイロットプロジェクトを支援。 州民間電力会社によるエネルギー貯蔵能力の保持を許可し、定めら れた容量の最低保持量を義務づけるもの。 エネルギー貯蔵技術の商業化、展開に関心のある州と連携し、資金 提供を行うもの。 最新送配電システムの導入促進、スマートグリッドに関する技術、 ツールへの投資奨励を目的とするプログラム。採択されたプログラ ムは最大で 50%の金銭的援助を連邦政府より受け取ることができる 。 より費用効果の高い技術やよりよいシステム構成を構築し、実行可 能なスマートグリッドシステムの適用、統合を目的とするプログラ ム。採択されたプログラムは最大で 50%の金銭的援助をエネルギー 省より受け取ることができる。 プログラムには、地域的なスマートグリッドのデモンストレーショ ンと、エネルギー貯蔵技術に関するデモンストレーションの 2 種類 あり、プロジェクト数は合計 32、予算総額は$1,600M にのぼる。 州法により、カリフォルニア公共事業委員会は、エネルギー貯蔵の 調達目標設定を求められており、2015 年と 2020 年の二段階におい て各電力小売事業者が到達すべき目標を定める必要がある。また同 委員会は、費用効果の高いエネルギー貯蔵システムの検討を必要と しており、そのため本手続きにおいては、エネルギー貯蔵に関する 評価、ニーズの把握、調達目標設定等についてワークショップ等を 行っている。 FERC : Federal Energy Regulatory Commission Stepwest Corp Feb. 2014 122 エネルギー保存システム MLP 同等化法 19 （米国上院議会） 1986 年の内国歳入法の改定案。同法においては、マスターリミテ ィッドパートナーシップは化石燃料をベースとするエネルギーパー トナーシップのみを包含していたが、エネルギー貯蔵を含む再生可 能エネルギーにまで範囲を広げるもの。施行されれば、エネルギー 部門内の課税方法がより公正なものとなる。 8.4.米国に於けるエネルギー貯蔵関連研究への主要な補助金 米国では上記の政策に伴い、各種の規制や補助金を用いた施策が行われているが、他国に 差をつける為にも、研究開発に力を入れている。 これらの補助金には、連邦政府よりのものと、地方政府（州、郡、市）によるものがあり 、地方政府の補助金を含めると非常に多岐に渡る。 下表に、DoE の 2013 年 12 月のレポート138による、アメリカ政府の各機関による蓄電関連 の各種補助金を纏める。(2009 年から 2012 年までの補助金。) 連邦機関名 DoE DoD NASA NSF EPA NIST 合計 イニシアティブの 数 11 14 8 4 1 1 39 補助金額 $852.0M $430.3M $20.8M $8.6M $3.3M $1.4M $1,316.3M 補助金は、以下の種類に分かれる ① 研究開発目的に数百ドル程度を色々な研究機関やベンチャー企業に配布するもの ② 上記のベンチャー企業の製品の開発に目処がつき、その製造工場を米国内に建設する際に、工 場建設資金を補助するもの（補助金と融資保証の二方式） ③ 米国内に実際のエネルギー貯蔵システムを設置する際の設置費用を補助するもの 連邦レベルの研究開発用の取り纏めとして「JCESR（Joint Center for Energy Storage Research） 」を設けている。 これは、DOE 傘下の研究所（アルゴンヌ国立研究所（米イリノイ州シカゴ） 、ローレンス バークレー国立研究所、パシフィックノースウェスト国立研究所、サンディア国立研究所 、SLAC 国立加速器研究所など）や、主要大学（ノースウェスタン大学、シカゴ大学、ミシ ガン大学、イリノイ大学、）の活動を取りまとめる物である。 投資額は 5 年間で約 1 億 2000 万ドル（ 約 120 億円）である。 ①に関する補助金は、上記の通り幾つかの機関から出されているが、DoE の下部組織であ る ARPA-E が実施している補助金の規模が一番大きい。 ARPA-E が過去３年間に支給したエネルギー貯蔵関連の補助金の内容を下記に纏める。詳細 の支給先と補助金額は「添付資料 C」を参照の事。 138 http://energy.gov/sites/prod/files/2013/12/f5/Grid%20Energy%20Storage%20December%202013.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 123 エネルギー保存システム 年度 対象 予算 1 2012 14 件 $30M 2 2012 7件 $13M 3 2012 全体で 285 件 うちエネルギ ー貯蔵は 13 件 全体で$770M うちエネルギー貯蔵 は$○M 4 2013 22 件 $36M 内容 Advanced Management and Protection of Energystorage Devices (AMPED) Small Business Innovation Research (SBIR) and Small Business Technology Transfer (STTR) エネルギ貯蔵だけでなく、エネルギー全般に関する 補助金。 Second Open Call for Innovative Energy Technology Solutions (Open Call-2012) REVOLUTIONARY STORAGE APPROACHES (RANGE) 8.5.FERC Order 719/745（ディマンドレスポンスとアンシラリーサ ービス）について 連邦政府による電力規制の中で、ディマンドレスポンスとアンシラリーサービスに関する規制は 非常に特徴的であり、エネルギー貯蔵に関して重要であるので下記に概要を纏める。（なお、連 邦政府は補助金は出さないが、貢献者が収入を得られる方法や制限を規定する。 ） ディマンドレスポンス(DR)は需要側、アンシラリーサービスは供給側に対する規制とインセンテ ィブである。 背景 電気料金の段階的設定や、需要抑制を行うことに対する報酬の支払によって、需要家側に よる電力の消費パターンを変化させることにより、エネルギーの効率的な需要供給を実現 するため、欧米等ではディマンドレスポンス(DR)の取り組みが積極的に進められている。 ＤＲには大きく言って以下の 2 パターンがある。 電気料金型ＤＲ：電力会社が時間帯等で料金を段階的に設定し、割高な料金が設定さ れた時に、需要家が自らの判断で需要抑制を行う。 インセンティブ型ＤＲ：電力会社と需要家が契約し、電力会社の要請に基づく需要家 の需要抑制に対してインセンティブが支払われる。 欧米等では、ピークカットによる経済性向上や系統信頼性確保等の観点から、また、非効 率な発電設備への投資抑制にも寄与すると期待されていることから、ＤＲの積極的な取組 みが進められており、約 9 割がインセンティブ型ＤＲとなっている。139 2009 年時点での北米でのＤＲによる負荷抑制ポテンシャルは、53,000MW 以上、全米のピー ク需要の約 7.6%に当たると試算されている。 FERC の規制 139日本では、従来から電力会社と大口需要家(契約電力 500KW 以上の事業者)の間での需給調整契約が存在したが、小口 需要家(契約電力 500KW 未満の事業者)との間では、東日本大震災後 2012 年に初めて実施され、また個人家庭への電気料 金型ＤＲの普及は 5%程度とＤＲの取組みが進んでいないのが現状である。 Stepwest Corp Feb. 2014 124 エネルギー保存システム 2008 年に公布された FERC Order719 では、周波数調整等のアンシラリーサービス市場(数時 間から数十分前に必要な電力を取引する市場)での取引について、発電他のリソースと同様 にＤＲからの入札を受けることを、系統運用機関に義務付けている。 また、2011 年に公布された FERC Order745 では、エネルギー市場(一日前に必要な電力を取 引する市場)での取引について、ＤＲの便益が費用を上回る限りにおいて発電電力量と等価 に取引することを、系統運用機関に義務付けている。 これらは、ＤＲに初期需要を促し、また個々の需要家によるＤＲを束ねるアグリゲータの ビジネスを助長する原動力になっている。 このようにＤＲとアンシラーサービスが活発化する中で、需要家側のエネルギーマネジメントを 担うツールとして、蓄電池の利用が注目されており、米国は定置用二次電池の中でも、ＤＲとア ンシラーサービスに適したリチウムイオン電池やフライホイールの導入に向け、技術開発に注力 している140。 米国連邦エネルギー規制委員会（FERC）による、アンシラリーサービスの分類は下記の通りであ る。 項目 定義 周波数制御 系統周波数を一定範囲内に維持するために需要 と供給を一致させるサービス。 電力インバラン ス ある一定期間に発生する送電量の計画値と実績 値の差を補償するサービス 瞬動予備力 発電トラブルなどの事故が起きたら即時に電力 を補給するサービス。 運転予備力 発電トラブルなどの事故に対し、短期間のうち に電力を補給するサービス。 スケジューリン グ、系統制御、 給電指令 発電設備からの 無効電力供給、 電圧制御 供給エリア内の発電計画を立て、そのとおりに 給電指令をするもの 電圧を一定範囲内にするために、必要な量の無 効電力を発電設備等から提供するサービス 提供方法 市場取引可能 電力系統運用者が提供し 、託送量などで費用回収 する この表を見ると分かるように、すべてのアンシラリーサービスが市場取引に適している訳 ではないし、すべての発電所がアンシラリーサービス市場に参加できる訳でもない。 例えば、周波数制御市場に参加できるのは、系統運用者からの制御信号に応じて自動的に 出力増減できる機能（AFC：Auto Frequency Control）などの特別な能力を持つ発電所だけ である。瞬動予備力市場に参加できるのは、短時間で出力を増減できる発電所だけである 。 加えて、米国では最近、デマンドレスポンス（ネガワット）のアグリゲーターが、負荷削 減の応答性が良い需要家を集めてアンシラリーサービス市場に参入するようになっている 。 周波数制御／電圧制御について なお、周波数や電圧制御の基本は、供給と需要のバランスを取る事であるが、供給が大幅 かつ急速に増減するケースと、需要が大幅かつ急速に増減するケースで対応が分かれる。 供給が大幅に変動するのは、火力発電所や原子力発電所にトラブルが発生し、供給が数ギ ガワットレベルで減るケースと、再生可能エネルギー発電（風力発電、太陽光発電）の出 140 http://www.meti.go.jp/committee/sougouenergy/shoene_shinene/sho_ene/pdf/001_09_00.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 125 エネルギー保存システム 力が、気象の急速な変動で当初予想から大幅に異なってくる場合等である。 発電所側で行うケースと、グリッド上で蓄電装置（二次電池やフライホイール）を用いる 方法がある。発電所で行う場合、これまではガス火力発電所が用いられるケースが多かっ た。石炭火力発電所や原子力発電所は、スタートやストップに時間がかかるため、ベース ロードとして利用されてきた。 8.6.加州に於ける電力会社への蓄電の義務化について エネルギー貯蔵技術普及を積極的に奨励するカリフォルニア州では、カリフォルニア公共 事業委員会(CPUC:California Public Utilities Commission)が、2013 年 10 月に全米でははじめて 、州の三大民間電力会社に対し、明確なエネルギー貯蔵量達成目標を義務付ける法案を成 立させた。 その目標は、2020 年までに、「送電網」「配電網」「顧客サイド」の３レベルで 1.3ＧＷの 蓄電出力量を達成するというものである。当民間電力会社、サザンカリフォルニア・エジ ソン、パシフィック・ガス＆エレクトリック、サンディエゴ・ガス＆エレクトリックの 3 社は、2014 年には調達を開始する必要があるが、自社で所有できるのは調達量の半分以下 と定められている。 これは、顧客サイドのエネルギー資産の大幅増加を促進するためであるが、当民間電力会 社はこの制限に強く反発している。 また、他の技術の参入を妨げる可能性があるとして、50MW を超える揚水発電を用いた電力 貯蔵に関しては、本調達に含めることができないと定められている。 カリフォルニア州では、エネルギーの分散化、スマート化に向けた動きが活発で、電力会 社によるナトリウム硫黄電池やリチウムイオン電池の採用、ビルや住居への太陽光発電設 置、CAES、電気自動車の導入等が盛んであるが、これらの新技術を将来にわたり効果的か つ効率的に利用していくためには、適切な規制や市場メカニズムが不可欠である。141,142 141 http://www.greentechmedia.com/articles/read/california-passes-huge-grid-energy-storage-mandate http://www.reedsmith.com/California-Public-Utilities-Commission-Adopts-Energy-Storage-Procurement-Targets10-23-2013/ 142 Stepwest Corp Feb. 2014 126 エネルギー保存システム Stepwest Corp Feb. 2014 127 エネルギー保存システム 9. 添付資料-A「量産出荷中のメーカー」 9.1.GS ユアサ系列 9.1.1. GS ユアサ 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 概要 GSユアサ リチウムイオン電池、鉛電池、 定置向け、自動車向け、モバイル機器向け143 旧日本電池と旧ユアサコーポレーションが2004年に経営統合して誕生 自動車電池、産業用電池、電力貯蔵用電池、特殊電池、燃料電池などの電池や 比較的大規模の電源装置を中心に開発・製造・販売をしている。自動車・二輪 車用の鉛蓄電池で国内のシェアはトップ、世界でも第2位のシェアを占める。 2007年 -三菱商事、三菱自動車工業と合弁会社リチウムエナジージャパンを設 立 2009年 -本田技研工業と合弁会社ブルーエナジーを設立 2013年 -GSユアサ、ロバート・ボッシュ、三菱商事の３社で2014年初頭に合弁 会社を設立する事を発表 http://www.gs-yuasa.com/jp/ 京都市南区 売上高 ：連結2,854億円（2012年3月期） 従業員数：連結12,265名（2012年3月） 資本金：330億円 車載専用リチウムイオン二次電池にて、さらなる高性能 化やラインナップの拡充、低コスト化を図る。 ・ 鉛蓄電池では、ISS 用や長寿命品の開発に注力。 ・ リチウムイオン二次電池(ESS 用）は、ラインアッ プの拡大により、多様な需要獲得を目指している。 ・ 鉛蓄電池は、6 割がハイブリッド車向けや ISS(Idling Start Stop)用であり、さらにこの比率 図 9-1 GS ユアサ製 の拡大を目指 のリチウムイオン二 ・ 「ボーイング787」へのバッテリー供給をフランス 次電池セル（同社ホ の企業タレス・グループを通じて行っている。 ームページより） ・ JR貨物HD300形ハイブリッド機関車（日本初のハイ ブリッド機関車）にリチウムイオン電池を供給 ・ バッテリーだけでは無く、バックアップ電源システムや無停電電源装置な どの国内シェアトップ 最近の動き URL 所在地 年商 製品 9.1.2. リチウムエナジージャパン（LEJ） 会社名 概要 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 資本金 主な顧客 所在地 URL 製品 技術的特徴 リチウムエナジージャパン（LEJ） リチウムイオン二次電池の開発、製造、販売 自動車向け、電力貯蔵向け等 2007年12月12日 GSユアサ(51%)、三菱商事(44.6%)、三菱自動車(4.4%)の合弁会社 135億円 三菱自動車のEV「i-MiEV」に向けたLiイオン2次電池の量産を2009年6月に開始 滋賀県栗東市蜂屋780-1 http://lithiumenergy.jp/jp/index.html 滋賀工場が完成した後は、リチウムイオン電池のセル「LEV50」を年間 1250万セル（２．３GWh, i-MiEV 15万台分）を生産する。 リチウムエナジージャパン（LEJ）のLiイオン2次電池セル マンガン酸リチウムをベースにした正極材料 143 http://www.j-cast.com/2013/02/28167440.html http://ciicz.jp/jigyo/pdf/nen/h24-1.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 128 エネルギー保存システム 9.1.3. ブルーエナジー 会社名 概要 用途 資本金 設立年度 親会社（合弁の場合） 主な顧客 所在地 URL 技術的特徴 ブルーエナジー ハイブリッド車（Honda IMAシステム）用リチウムイオン電池の製造・販売、及 び研究開発会社 自動車向け 75億円 2009年4月1日 GSユアサと本田技研工業との共同出資（出資比率 ジーエス・ユアサ パワーサ プライ51%、ホンダ49%） 「アコードハイブリッド」には、同社従来品と 同サイズでありながら、出力性能を大幅に向上 させつつ、長期耐久性能を確保した新製品EH5が 搭載 「アコードプラグインハイブリッド」には、大 容量化と高出力化をバランスよく実現させると ともに、高い信頼性と安全性を兼ね備えた新製 品EH19が搭載 図 9-2 ブルーエネジー 製のリチウムイオン二次 電池セル（同社ホームペ ージより） 京都府福知山市長田野町1丁目37番地 http://www.blue-energy.co.jp/jp/index.html 三元系をベースにした正極材料 9.2.パナソニック系列 9.2.1. プライムアース EV エナジー株式会社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 来歴 主な顧客 所在地 Stepwest Corp プライムアースEVエナジー株式会社 リチウムイオン電池、ニッケル水素電池 自動車向け 1996年（平成8年）12月11日 資本金 200億円 トヨタ自80% ﾊﾟﾅソニック20% 1996年12月11日 - 設立（出資比率はトヨタ自動車60%、パナソニックグループ 40%）。 1997年1月 - 境宿工場で電気自動車用ニッケル・水素蓄電池の開発・量産開始 2006年11月 - 累計生産台数100万台（車両台数ベース）突破 2007年3月 - 大森工場操業開始 2008年2月 - 本社を大森工場敷地内に移転 2008年5月 - 宮城県黒川郡大和町に工場建設を決定 2010年4月 - 第三者割当増資を実施し出資比率がトヨタ自動車80.5%、パナソニ ックグループ19.5%となる。 2010年6月2日 - 社名を「プライムアースEVエナジー株式会社」に変更 リチウムイオン電池 ・ 西工場に1ライン新設、年産、20万台規模へ増産、従来は、3.6万台、次 期プリウスには本格的に採用、 ニッケル水素電池 ・ ハイブリッド車に採用 ・ 12年のHV生産は121万9000台、国内新車の4割がHV、燃費の向上も期待！13 年は、140万台超？ 静岡県 西市 Feb. 2014 129 エネルギー保存システム 年商 従業員数 約2,600名（2011年6月時点） 売上高 約922億円（2010年度実績） トヨタ自動車は、ハイブリッド車（ＨＶ）の販売好調を受け、子会社のプライ ムアースＥＶエナジーを通じ、2015年からニッケル水素電池を増産する。宮城 県の工場に約100億円を投じて新建屋を設け、同工場の生産能力を年40万台分と 現行に比べ約３割増やす。13年は同社の国内新車販売に占めるＨＶの比率が４ 割に達する見通し。ＨＶ市場の拡大が国内での部材や生産設備の受注拡大にも 波及しそうだ。 最新の動向 技術的特徴 9.2.2. 三元系をベースにした正極材料 パナソニック／エナジー社（旧松下電池工業） 会社名 技術カテゴリー 主な顧客 経緯 リチウムイオン電池の特 徴 パナソニック／エナジー社（旧松下電池工業） リチウムイオン電池、ニッケル水素電池 テスラ社に既に18650サイズのセルを2013年6月までに2億本を供給 2013年10月末、2014～17年に20億個のＥＶ向け電池をテスラに供給するこ とで合意した。数十万台分に相当する大規模な契約である。 富士重工業向けのニッケル水素電池 2011 年に三洋電機を完全子会社化し、二次電池分野で世界トップシェア を獲得した。 携帯デバイス用途に関しては 2012 年に世界出荷シェアが 2.8 ポイントダ ウンの 20.7%と 2 位に転落した。 モバイル関連の収益性悪化により、2011 年度には 734 億円ののれん代を 破損処理。 2012 年度中に中国蘇州に工場を建設、モバイル関連の生産を 2013 年度ま でに 5 割程度国内生産から移管し、コスト競争力を高める。 パソコン用の需要が落ち込んでいるが、携帯電話の基地局用バックアップ 電源の需要が拡大しており、また自動車用リチウムイオン電池の需要も増 えてい。 同社リチウムイオン電池関連事業は2012年度の赤字から転じて、2013年は 黒字化が予想されており、今後需要が拡大が期待される自動車用を中心に 設備増強を図っていく方針。144 ニッケル系の正極材料を用いる。 2006年から量産を開始したニッケル系正極の電池 セルの容量は2.9Ahで、コバルト系正極を用いた同 社電池セルの2.6Ahよりも向上。 ニッケル系の正極材料は、コバルト系に比べてエ ネルギー密度を高められるものの、異常な発熱が 起こりやすいなど安定性の面で問題があったが、 2005年に発表したHRL（絶縁性耐熱層）技術によっ て対応とのこと。 HRL技術とは、セパレータと負極の間にHRLを形成 することで、析出した金属Liや生産時に混入した 異物による短絡熱暴走を防ぐ技術のこと 図 9-3 パナソ さらなる性能向上を図るために、同社は負極材料 ニック社製の を従来のカーボンからシリコン系合金に変更した 145 16850 リチウムイ 電池セルを開発とのこと 。 添付は、18650サイズの円筒形リチウムイオン電池 オン二次電池セ セル。 ル（同社ホーム ページより） 144 http://www.dbj.jp/pdf/investigate/area/kansai/pdf_all/kansai1210_01.pdf http://www.sangyo-times.jp/kn/photoArticle.aspx?ID=104 http://www.toyo-keizai.co.jp/news/economy/2012/post_5111.php http://www.zaikei.co.jp/article/20130824/147537.html http://diamond.jp/articles/-/34201 https://reports.btmuc.com/fileroot_sh/FILE/information/120807_01.pdf 145 http://ednjapan.com/edn/articles/1101/01/news009_3.html Stepwest Corp Feb. 2014 130 エネルギー保存システム ニッケル水素電池の特徴 9.2.3. パナソニックは、2013年3月29日に、富士重工業が米国で発売する予定の ハイブリッド車（ＨＶ）「スバル ＸＶ クロストレック ハイブリッド 」にニッケル水素電池を供給すると発表した。 同車は富士重として初のＨＶで、2013年10月に開幕 したニューヨーク国際自動車ショーに出展している 。 パナソニックが洲本工場（兵庫県）で生産し、供給 する。 同社のＨＶ用ニッケル水素電池は米フォード・モー 図 9-4 パナソニ ターや独フォルクスワーゲンなど大手メーカーのＨ ック社製の単１型 Ｖにも採用されている。今後も供給先を増やし、環 ニッケル水素二次 境対応車用の２次電池事業を拡大する。 電池セル（同社ホ 写真はHEV用ニッケル水素電池セル。 ームページより） 科力美（中国）汽車動力電池 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 過去の経緯 所在地 年商 最新の動向 技術的特徴 科力美（中国）汽車動力電池 ＨＶ向けのニッケル水素電池 自動車向け 2013年 156億３千万円 日本側 プライムアースＥＶエナジー（トヨタとパナソニック）：41％、トヨタ中 国現法：５％、豊田通商：４％ 中国側 科力遠が40％、常熟の投資会社が10％ 科力遠は11年にパナソニックから車載用ニッケル水素電池事業を買収しており 、神奈川県茅ケ崎市の旧パナソニックの工場を運営している 江蘇省常熟 従業員数 約2,600名（2011年6月時点） 売上高 約922億円（2010年度実績） トヨタ自動車は、ハイブリッド車（ＨＶ）の販売好調を受け、子会社のプライ ムアースＥＶエナジーを通じ、2015年からニッケル水素電池を増産する。宮城 県の工場に約100億円を投じて新建屋を設け、同工場の生産能力を年40万台分と 現行に比べ約３割増やす。13年は同社の国内新車販売に占めるＨＶの比率が４ 割に達する見通し。ＨＶ市場の拡大が国内での部材や生産設備の受注拡大にも 波及しそうだ。 三元系をベースにした正極材料 9.3.NEC 系列 9.3.1. オートモーティブエナジーサプライ（AESC） 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 主な顧客 所在地 Stepwest Corp オートモーティブエナジーサプライ（AESC） リチウムイオン電池 定置向け、自動車向け、モバイル機器向け 2007年4月19日 資本金：23億4500万円（資本準備金 23億4500万円） 約600名（2013年3月末） 日産自動車株式会社 51% 日本電気株式会社 42% NECエナジーデバイス株式会社 7% 2010年12月に日産自動車が発売予定のEV「リーフ」に搭載されるLiイオン2次電 池の製造 神奈川県座間市広野台2-10-1 Feb. 2014 131 エネルギー保存システム URL 年商 http://www.eco-aesc-lb.com/aboutus/company/ 約622億円（2011年度） 日産自動車はリーフを中心とするEVを年間5万台規模で生産する体制を日本で構 築するほか、2012年には米国での生産を開始し、日米で年間20万台を生産する 予定である。 セル、モジュール、パック AESCが正極材として採用しているマンガン酸リチウムは、①過充電状態で も結晶構造が変化せず、安全であること、②マンガンは埋蔵量が豊富で市 場価格が安定しているという特長を持っている。 AESCのセルは、アルミ箔にマンガン酸リチウムを塗布した正極と銅箔にカ ーボン材料を塗布した負極を、セパレータを挟んで交互に重ねたものをラ ミネートで封止した構造になっている。 広い表面積、シート状の形状、シンプルな構造といった特徴を持ち、これ によって、放熱性が良い、車両搭載にあたってバッテリー形状の自由度が 高い、低コストといった自動車バッテリーとしての高いパフォーマンスを 実現。 製品 技術的特徴 9.3.2. NEC エナジーデバイス株式会社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 従業員 所在地 URL 最近の動き AESCについて 技術的特徴 NECエナジーデバイス株式会社 大容量ラミネートリチウムイオン二次電池、電極および環境・エネルギー分野 に関する製品の開発、製造、販売および保守 環境対応車用電池 電力貯蔵・スマートグリッド 2010年4月1日 資本金 4億円（NEC100％） 連結 583名（2013年12月末現在） 神奈川県相模原市中央区下九沢1120番地 NEC相模原事業場内 http://www.neced.co.jp リチウムイオン蓄電池の生産能力を５割高める。 甲府市に年産能力１万5000台（家庭用蓄電池換算）の製造ラインを新設する。 2013年度から企業向けの蓄電池の生産も予定していることから、量産効果を高 め、低コスト化を推し進める。（2013/2/6 0:05日本経済新聞 電子版） 「オートモーティブエナジーサプライ株式会社（AESC）」は、「日産」51％、 「NECエナジーデバイス」49％の出資比率で出来た合弁会社である なお、「NECエナジーデバイス」がAESCに電極を納品している 構造 従来から主流の"電極を巻いた形"（ 捲回構造）ではなく、"電極を幾重 にも重ねた形"（積層構造）を採用 。 そのため高い放熱性を実現すると同 時に、薄型であるため自動車などス ペースが限られている用途に適して 図 9-5 積層型のリチウムイオン 二次電池 いる。 低抵抗のため大電流放電も可能。 （同社ホームページより） 正極材料 マンガン系材料：過充電に強く、かつ熱的安定性に優れ高い安全性。 9.3.3. 会社名 技術カテゴリー 用途 URL 最近の動き Stepwest Corp NEC 株式会社 NEC 電力システムマネージメント 電力貯蔵・スマートグリッド http://www.neced.co.jp ＮＥＣは各地のオフィスビルや家庭に設置した蓄電池を制御し、電力需給 Feb. 2014 132 エネルギー保存システム に応じて送配電する技術を開発したと発表。(2012/11)146 停電の原因となる電気の周波数の変動を検知し、発電量が需要を上回る場 合は余った電力を蓄え、消費が増えると速やかに放電して需給調整する。 複数のビルなどの電力を管理する「アグリゲーター」と呼ぶ仲介業者向け に、早ければ小売り自由化が始まる2016年までに実用化。 仲介事業への参入も検討する。 9.4.日立系列 9.4.1. 会社名 最近の動き 大型蓄電池製品 マーケット 9.4.2. 会社名 設立年度 親会社 技術的特徴 製品 146 147 日立製作所 日立製作所 2011年11月に、グループ各社が手掛ける電池事業を再編。 電池素材を得意とする日立化成工業が鉛蓄電池大手の新神戸電機を完全子 会社化 日立本体は産業用リチウムイオン電池事業を新神戸電機に移管 自動車（日立ビークルエナジー）、デジタル機器（日立マクセルエナジー ）、産業機器（新神戸電機）の用途別に３つの電池関連会社が事業を担う 体制本体は先端技術の研究開発に特化する。 大出力の大型蓄電池「 1MWリチウムイオン蓄電システムパッケージ（ CrystEna）」を開発。 システム全体をコンテナに搭載したことで出力と比較して小型化したこと が特徴。 風力発電や太陽光発電といった分散型の再生可能エネルギーと組み合わせ た用途を狙う。 電力需給バランスの維持と系統安定化が目的。 「2012年度に同システムの開発を始め、2013年12月時点では実証試験用 の試作品を4～5システム製造中 実証試験と並行して2014年初頭にも製品の出荷を開始する。 製造中の電池システムは、日立製作所の電力系統制御技術と日立化成のリ チウムイオン蓄電池を組み合わせたもの。「出力1MW、容量450kWhという 蓄電システムを40フィート、または45フィートコンテナに格納したオール インワンパッケージ。 日立製作所が実証試験の場とするのが、アンシラリー市場。147 電力自由化が進む米国では「短周期」と呼ばれるわずか数秒から数分ほど の間に変動する電力も売買している。短周期は出力の変動が大きく、これ を和らげるために、取引市場では小口の電力を売り買いする事業も活発だ 。高性能の蓄電池があれば、機動的に小口の電力を売りたい側の利点が高 まる。 日立によるとこうした電力取引は20年時点で約20ギガワット規模に達し 、このうち7.5ギガワット分は蓄電池システムを導入できる見込み。 「米国の複数のアンシラリー市場に対して、システムを4台投入する。 日立オートモティブシステムズ 日立オートモティブシステムズ 2009年7月1日 東京都千代田区大手町二丁目2番1号 資本金 150億円（株式会社 日立製作所 100％） 売上高 8,068億円（2013年3月期、連結ベース） 電池セルの製造はグループ会社の日立ビークルエナジー株式会社が行う 日産自動車の北米向けSUV「Pathfinder Hybrid」にLiイオン2次電池パッ クを供給し始めたことを明らかにした。 米国法人のHitachi Automotive Systems Americas社のケンタッキー工場 で電池パックを生産している。 http://www.nikkei.com/article/DGXNZO62776690Y3A111C1TJM000/ http://www.nikkei.com/article/DGXNASGM0300U_T01C13A2EB2000/ Stepwest Corp Feb. 2014 133 エネルギー保存システム 9.4.3. 日立ビークルエナジー 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 主な顧客 所在地 URL 年商 製品 技術的特徴 Stepwest Corp 電池セルは日立ビークルエナジー製である。 日産自動車はこれまでNECグループとの合弁会社であるオートモーティブ エナジーサプライ（AESC）から電動車両向けのLiイオン2次電池の供給を 受けてきたが、供給元を拡大した形となる。 http://techon.nikkeibp.co.jp/article/EVENT/20131113/316109/ 日立ビークルエナジー ハイブリッド電気自動車用リチウムイオン電池のマーケティング及び開発、製 造 2004年（平成16年）7月1日 日立製作所65％、新神戸電機25％、日立マクセルエナジー10％ 日産、GE、いすゞ、三菱ふそう 茨城県ひたちなか市稲田 http://www.hitachi-ve.co.jp 資本金 75億円 ハイブリッド車（ＨＶ）に使うリチウムイオン電池を増産する。100億円を 投じ、2014年半ばまでに京都府内にて新工場を建設、稼働させる。国内のＨ Ｖ用リチウムイオン電池（セル単位）の生産能力を月100万個に引き上げる 。日産自動車などに加え、ＨＶを開発する海外メーカーに供給する。 グループ会社の日立マクセルの京都工場（京都府大山崎町）の敷地内に新工 場を建設中で、電池パックに封入する小型電池「セル」を生産。14年半ば以 降に出荷する。 このほど、日産が北米向けに納入するＨＶ「パスファインダーハイブリッド 」向けに供給を始めた。今回の増産により、ゼネラル・モーターズ（ＧＭ） など海外自動車メーカーが17年以降に投入を計画するＨＶにも供給を目指し ていく。 現在、電池セルは東海工場（茨城県ひたちなか市）で月34万個を生産。米ケ ンタッキー州の工場で組み立てている。日本でセルの量産体制を整えて北米 向けの供給を増やすことで自動車メーカーの需要に応える。 日立はいすゞ自動車や米ＧＭなどに累計450万個の電池セルの納入実績を 持つ。リチウムイオン電池の世界市場では韓国のサムスンＳＤＩ、パナソニ ックなどが強い。 正極材料はマンガン系、負極材料はアモルファスカーボン 円筒型と角型 2006年の第2世代（出力密度2,600W/kg）、2010年に量産化された、出力密度 3,000W/kgの第3世代電池など、リチウムイオン電池の高出力密度化に成功し てきています。 さらに、2013年量産開始予定の第4世代電池では世界最高レベルの出力密度 4,500W/kgを達成しています。 第3.5世代電池パックに搭載する円筒形電池セルは, HEV用に高性能と安全性 を両立させた最適設計を行い 2011 年から量産を開始 円筒型電池セルの生産拠点を新たに京都府乙訓郡大山崎町に構築した(図6参 照)。新たな電池生産ラインは, 既設ライン比で投資効率を約 2 倍にし,ラ ンニングコストの半減などを達成している。新生産ラインの構築によって 円筒形電池セルの総生産能力は月産 100 万セル超に到達 し,競争力のある 高効率な生産体制を実現 高エネルギー型電池セルとして,PHEV/EV 用角形電池セルを開発中である。 EV 走行と HEV 走行を使い分 け,大幅な燃費改善と排出ガス抑制可能な PHEV が注目 れている。この電源として高エネルギー(EV走行)かつ高出力 (HEV 走行)の電池セルを開発している。 両者は電池設計上相反する特性であるが,角形電池セルの低抵抗化 構造と電 極活物質の組成と電極厚みの最適化により両立を 可能とした。また,高エネ ルギー化に伴う安全性の確保にはセラミックセパレータの採用,新電解液添 加材の開発などで対応した。 http://www.hitachihyoron.com/2013/11/pdf/11a07.pdf Feb. 2014 134 エネルギー保存システム 9.4.4. 新神戸電機株式会社 会社名 技術カテゴリー 設立年度 親会社（合弁の場合） 所在地 URL 従業員数 年商 製品 技術的特徴 新神戸電機株式会社（日立系列） 各種の電池を幅広く取り扱う 1969年 （母体となる日本蓄電池製造株式会社の設立は大正５年） 日立化成 100% 1969年に日本蓄電池製造と神戸電機の合併により設立 2012年に親会社の日立化成による完全子会社化 東京都中央区明石町 http://www.shinkobe-denki.co.jp 単体1,216人 連結2,307人 資本金：25億4677万円 売上：757億1,700万円 自動車用バッテリー 自動車用充電器＆バッテリーテスター 産業車輌用鉛蓄電池 電気自動車用電池 産業用鉛蓄電池 小形制御弁式鉛蓄電池 産業用リチウムイオン蓄電池 リチウムイオンキャパシタ コンデンサ 産業用リチウムイオン電池としては、バックアップ用電源や太陽光・風力等 の新エネルギー電力システムに使用可能な大容量（50～200Ah）のものがあ る。 9.5.三菱重工 会社名 カテゴリー 製品 技術的特徴 三菱重工 リチウムイオン二次電池 http://www.mhi.co.jp/power/lithium/index.html 当社製リチウムイオン二次電池（50Ah級，P140電池）を利用した大型の電力 貯蔵システム（Energy Storage System, ESS）を開発 英国の電力大手SSE（SSE plc）と共同で、再生可能エネルギーの比率が高い 英国オークニー（Orkney）諸島の電力ネットワークで蓄電システムの実証試 験に取り組む。 リチウムイオン二次電池を搭載した最大出力2MW（メガワット）のコンテナ 型大容量蓄電システムを導入し、同地域の電力安定化の検証を行うもの。 稼働開始は2013年。 http://www.mhi.co.jp/news/story/1211225282.html 体積効率のよい角形積層式の形態で、積層されていることで大容量・高エネ ルギー密度・長寿命化を実現するとのこと。 9.6.東芝 会社名 技術カテゴリー 用途 主な顧客 Stepwest Corp 東芝 負極材料にチタン酸リチウム（LTO）を採用したLiイオン電池 自動車向け、電力向け等 自動車向け ・ 大手の乗用車向けの受注はまだ無い模様 ・ 電動バスの実証実験等 電力向け ・ 標準家庭で2000世帯が１日に利用する電力量を蓄えられる容量２万キロワ Feb. 2014 135 エネルギー保存システム 過去の経緯（一度撤退し たが再開） 最新の動き 製品 技術的特徴 ット時の電池で、まず東北電力に2015年に納入する。受注額は約100億円。 1992年、東芝は旭化成とリチウムイオン二次電池の開発・製造・販売を行う 「エイ・ティーバッテリー」を共同出資で設立。 後に全額出資子会社としたが、2004年に会社を解散した。「燃料電池の開発 に力を入れるため」というのが撤退の理由だった。 2007年12月に負極材料にチタン酸リチウム（LTO）を採用したLiイオン電池 を発表 東芝は2014年中に、自動車向けの小型リチウムイオン電池の生産能力を倍増 させると発表。 柏崎工場（新潟県柏崎市）で車両ベースで年100万台程度分が生産できるよ うになる。 投資額は50億円程度とみられる。同電池は信号停止時にエンジンが自動的に 止まり燃費改善につながるアイドリングストップ機能を搭載した車向けに供 給する。 SCiBの商標を持つ二次電池を製造開発。 リチウムイオン電池ではなく、その新型との位置づけ。 外力などで内部短絡が生じても熱暴走を起こしにくい構造を持つ。 充放電6000回以上の長寿命、5分間での急速充電、キャパシタ並みの入出力 密度、-30℃の低温での動作等に特徴。 金属Liが析出しにくいこともあって、一般的なLiイオン電池よりもSOC（ State of Charge：満充電の状態を100％とした充電率）を幅広く取ることが できる。 課題：炭素系の負極材料を用いる一般的なLiイオン電池に比べて、出力電圧 が2.4V～2.5Vと低い。 http://ednjapan.com/edn/articles/1101/01/news009_3.html 9.7.住友電気工業 会社名 技術カテゴリー フロー電池 ナトリウムイオン電池 URL 住友電気工業 レドックスフロー（ＲＦ）電池 ナトリウムイオン電池 ２０１４年内に次世代大型蓄電池「レドックスフロー（ＲＦ）電池」の実証 設備を米カリフォルニア州に設け、海外で受注活動を始める。 太陽光発電など再生可能エネルギーの導入を進める同州は、出力変動調整用 として現地電力会社３社に計１３２５メガワットの電力貯蔵システムの採用 を要請している。 同社は同様の動きが世界に広がるとみて、まず同州で実績をつくりたい考え 。蓄電設備を使った出力変動調整や発電所むけ。 住友電気工業はナトリウムイオン電池のサンプル出荷を2014年に始める。148 同電池はリチウムイオン電池に比べて材料の調達が容易。 大阪市内に専用の生産ラインを設け、省エネ住宅や電気自動車（ＥＶ）向け の納入を目指す。 2016年度にも量産に乗り出す。 http://www.sei.co.jp/index.ja.html 9.8.ＴＤＫ/香港アンプレックステクノロジー（ＡＴＬ） 会社名 技術カテゴリー 経緯 148 ＴＤＫ ／ 香港アンプレックステクノロジー（ＡＴＬ） リチウムイオン電池 ＴＤＫ ０５年に中国・香港のアンペレックス・テクノロジー・リミテッド（ＡＴＬ ）を買収、子会社化してＬＩＢ事業に参入した。 ＡＴＬが研究開発と量産を担い、これまで携帯やパソコン、スマホ、タブレ http://www.nikkei.com/article/DGXNASDD3002E_U3A201C1TJ1000/ Stepwest Corp Feb. 2014 136 エネルギー保存システム ターゲットマーケット 用途 製品 正極材料 ット端末向けに製品展開している。 民生機器向けと並行しながらＥＶ向けＬＩＢの製品化に着手していた ＡＴＬ 1999年設立の香港のメーカー。米アップルに供給している。2005年に大手電 子部品メーカーTDKが買収。 2012年の出荷量は世界第５位。 自動車向けについては、2011年より生産を開始している。 車載用大型リチウムイオン電池 工場や学校など大規模施設に設置して電気を蓄える大型リチウムイオン電池 スマートフォンなど民生機器向け 電池の基幹部分であるセルを開発、複数本を束ねた電池ユニットにして自動 車メーカーに納入する。 既に中国の自動車大手である北京汽車集団（BAIC Motor）の電気自動車（Ｅ Ｖ）に採用された。（１３年度の受注量は１０００台分） ＥＶ向けは１モジュール１４セルで構成。１モジュール当たりの電力量は１ ・３キロワット時で、サイズは縦３３６ミリ×横１１８ミリ×高さ１１７ミ リメートル。重さは１２・５キログラム。 ATL社のLiイオン2次電池が搭載されているのは、北京汽車が販売中の電気自 動車（EV）「E150EV」である（図2）。 容量26Ahで電圧3.6Vの電池セルを14個用いて（7直列×2並列）一つのモジュ ールとした。 モジュールの外形寸法は336mm×118mm×117mmで、質量は12.5kg。E150EVで は、このモジュールを13個搭載している。 ATL社が開発した車載用のLiイオン2次電池は、正極材料にCo（コバルト）と Ni（ニッケル）とMn（マンガン）を混ぜた「3元系」を用いている。 同社の民生機器向けのLiイオン2次電池ではCo系の正極材料を用いているが 、「車載用ではコストへの要求が厳しいため、材料価格が高いCoをふんだん には使えない」（同担当者）ため、3元系を選択した。 ATL社では3元系以外に、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）を正極に用いた電池 も開発しているという。 9.9.JM エナジー株式会社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 資本金 親会社（合弁の場合） 所在地 URL 製造能力 製品 Stepwest Corp JMエナジー株式会社 リチウムイオンキャパシタの開発・製造・販売 風力発電・太陽光発電などの再生可能エネルギー関連機器 瞬時電圧低下補償装置・建設機械などの各種産業機器 医療機器 無人搬送装置 ２００７年８月１日 ３億円 ＪＳＲ株式会社 １００％ 山梨県北杜市大泉町西井出8565 http://www.jmenergy.co.jp/company.html 生産能力は年間３００万セル ＵＬＴＩＭＯ（アルティモ）の特徴は下記の通り 小型扁平角缶型セル 従来品の対比して容積を２分の１以下まで小型化 超低抵抗 充放電時のエネルギーロスが圧倒的に小さい 高い信頼性・安全性と長期耐久性を兼ね備える １００万回以上の充放電が可能 急速充放電、エネルギー回生、ピークアシスト、電力平準化などの用途 Feb. 2014 137 エネルギー保存システム 9.10. エリーパワー株式会社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 資本金 所在地 URL 従業員数 製品 技術的特徴 エリーパワー株式会社 大型リチウムイオン電池および蓄電システムの開発、製造、販売 新たな電解液を採用した新型ＬｉＢの提案を加速する。 2006（平成18）年9月28日 大和ハウス工業系 310億1203万円（内資本金155億1,951.5万円）※2013年8月30日現在 東京都品川区大崎1-6-4 新大崎勧業ビルディング19階 http://eliiypower.co.jp/company/ 206名（2013年9月1日現在） スマートハウスや事業会社向けの大容量リチウムイオン電池 セル 公称容量 ：50Ah 公称電圧 ：3.2V 重量 ：1.5 kg サイズ ：W170.5 × D43.5 × H111.9 mm エネルギー密度：106Wh/kg 使用可能温度 ：-20～60℃ (動作保証温度:0～45℃) 正極材料 ：リン酸鉄リチウム 負極材料 ：カーボン 電解液 ＬｉＢ性能を維持したまま引火点の引き上げに成功。第４類危険物第 ３石油類への指定変更で、従来に比べ２倍の貯蔵が可能となった。 液漏れした場合でも発火の恐れがないことから、社会インフラ関連施 設などでの採用を目指す。 9.11. 古河電池株式会社 会社名 技術カテゴリーと用途 設立年度 資本金 従業員数 親会社（合弁の場合） 所在地 URL 最近の動き 宇宙用リチウムイオン電 池 古河電池株式会社 鉛蓄電池 自動車用、二輪車用、電動三・四輪車用、鉄道車両用、航空機用、船舶用、 産業用、産業用太陽光発電システム、など アルカリ蓄電池 事務機器・OA機器用、計測機器用、UPS用、人工衛星用、防災機器用、航空 機用、など 1950年（昭和25年）9月1日（古河電気工業株式会社の電池部門が独立） 16億4,000万円（2012年3月末現在） 1,793名（連結：2012年3月末現在） 古河電気工業株式会社 神奈川県横浜市保土ヶ谷区星川2-4-1 http://www.furukawadenchi.co.jp/company/profile.htm 2003年：世界初の宇宙用リチウムイオン電池の開発に成功し、小惑星探査機「 はやぶさ」に搭載。 2005年 ：中国青島亞通達に鉄道車両用アルカリ蓄電池の技術供与。 2008年 ：風力発電併設蓄電システムの運用開始。 2010年 ：金星探査機「あかつき」にリチウムイオン電池を搭載。 耐宇宙環境用ハーメチックシール 世界最高水準の機械耐久性 9.12. ソニー 株式会社 会社名 技術カテゴリー Stepwest Corp ソニー 株式会社(ソニーエナジー・デバイス株式会社) 一次電池、二次電池等の開発・設計・製造 各種電源、バッテリチャージャーの開発・設計・製造 Feb. 2014 138 エネルギー保存システム 用途 設立年度 沿革 所在地 URL 資本金 年商 従業員数 最近の動き 今後の動き 技術的特徴 バッテリーリコール 1992年に世界で初めてリチウムイオン電池を実用化し、市場投入を行った。ゲ ル状ポリマーから構成される電解液を用いたラミネート型のリチウムイオンポ リマー電池の売り上げが大きい。2012年の出荷量は世界第４位にまで落ち込ん だため、事業の見直しを図り、日産・ＮＥＣが出資するオートモーティブエナ ジーサプライ(AESC)との統合交渉が進められていたが、AESCは自動車用を核と するのに対し、ソニーは携帯デバイス用をメイン事業としているため、交渉は 難航し、統合にはいたっていない。 1975年2月 1975年：ソニー（株）と米国ユニオンカーバイト社との合弁によりソニーエバレディー（ 株）設立 1986年：米国ユニオンカーバイト社との合弁解消により（株）ソニー・エナジー・テック へ社名変更 2000年：ソニー・エナジー・テックとソニー本宮(株)との合弁によりソニー福島（株）設 立 2004年：ソニー福島（株）とソニー栃木（株）との合弁によりソニーエナジー・デバイス （株）設立 福島県郡山市日和田町高倉字下杉下1-1 http://www.sonyenergy-devices.co.jp １億円 1,050億円（2012年4月1日～2013年3月31日） 2,240名（2013年10月） ソニーは電池事業の売却を見送る。これまで水面下で政府系ファンドの産業 革新機構から日産自動車とＮＥＣの共同電池事業への参加を求められて話し 合いを続けてきたが、円高修正や新規受注増で事業環境が改善。 スマートフォン（スマホ）など成長性の高い機器の開発に役立つ電池は分離 せず中核事業に育成した方が得策と判断。 車載用リチウムイオン二次電池に注力。すでに複数の自動車メーカーと製品 開発の検討を進めているものとみられる。 需要が本格化する2015 年頃をめどに商用化を目指す。 業務用ESS 向けリチウムイオン二次電池のラインナップの拡充にも注力。 ノートPC市場向けに「スズ系アモルファス負極」を採用した3.5Ahの高容量 リチウムイオン二次電池“Nexelion(ネクセリオン)”を開発 「オリビン型リン酸鉄」を用いたリチウムイオン二次電池で1.2kWh蓄電モジ ュールを開発 2006年、ソニーはリチウムイオン二次電池セルの一部製品に製造上の欠陥が あることを認め、回収を実施すると発表。 これはデル、アップル、レノボを始めとする多くのメーカーで採用されてい た 対象のバッテリーパックは約960万個、費用は約510億円を見込んでいる。 9.13. FDK 株式会社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 経緯 Stepwest Corp FDK 株式会社 マンガン電池、アルカリ電池、リチウム電池、リチウム2次電池、ニッケル水素 電池など各種電池 製品のほとんどが乾電池（充電の出来ない単一や単三の一次電池）であり、リ モコンや懐中電灯や補聴器等に使われる 充電可能なニッケル水素電池として、もと三洋電機の「エネロープ」がある 1950年2月7日 富士通の連結子会社である 富士通株式会社 68.47% 富士電機株式会社 1.39% 主要子会社 FDKトワイセル株式会社 100% FDKエナジー株式会社 88% ・ FDKは旧社名である富士電気化学(Fuji Denki Kagaku)に由来する。 Feb. 2014 139 エネルギー保存システム 所在地 従業員数 URL 資本金 年商 製品 ・ かつてはFUJI NOVELブランドで製品を展開していたが、現在はFDK、富士通 ブランドで製造・販売を行っている。 ・ パナソニックによる三洋電機子会社化の影響により下記の２社の株式を譲り 受けた ・ 三洋エナジートワイセル（三洋電機の自動車用途以外のニッケル水素電池事 業を継承、ニッケル水素電池以外の事業を分割） ・ 三洋エナジー鳥取（三洋電機の円筒形リチウム一次電池とコイン型二次電池 を継承）の。 ・ 譲受日に社名をそれぞれFDKトワイセル株式会社、FDK鳥取株式会社に変更 ・ なお、FDKエナジーの一部設備とFDKトワイセルの設備は元々は東芝電池の設 備である。149 東京都港区新橋 連結:5,168人 http://www.fdk.co.jp 283億01百万円 連結:735億47百万円(2013年) アルカリマンガン乾電池 ニッケル水素電池 9.14. 日本ケミコン 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 主な顧客 所在地 URL 売上高 資本金 従業員数 年商 日本ケミコン アルミ電解コンデンサ及び各種コンデンサの製造・販売 車載ほか 1931年（昭和6年） 日本ケミコンの車載向け電気2重層キャパシタ「DLCAP」 ホンダの「フィット」のアイドリング・ストップ車。 マツダの「アテンザ」「CX-5」「アクセラ」の一部に採用 東京都品川区大崎五丁目6番4号 http://www.chemi-con.co.jp/company/bases.html 929億円（2012年度グループ全体） 178億 8,445万円 6,854名（2013年3月31日現在・グループ全体） 下記の決算説明会資料によると、電気2重層キャパシタの売上が急増している。 150 製品 技術的特徴 149 150 151 2011年 : 348 M円 2012年 ： 1,312 M円 2013年 ： 4,000M円（予想） フィット向けの電気2重層キャパシタ 1500～1600Fの円筒型セル6本を直列に接続 電圧は15V。 マツダ向けの電気2重層キャパシタ 1200Fの円筒型セル10本を直列に接続 電圧は25V。 そのため、モジュールで蓄電可能な容量は、マツダの方が大きい。 独自の電極工法により低抵抗、高エネルギー密度化を実現。 バッテリーに優る充放電特性。 優れた環境融合性。 電力貯蔵・バッテリーアシスト・短時間バックアップ等に最適。 車載用途(回生エネルギー、アイドリングストップ)にも最適。151 http://ja.wikipedia.org/wiki/FDK http://www.chemi-con.co.jp/ir/pdf/conference-2012_4q_J.pdf http://www.chemi-con.co.jp/catalog/pdf/dl-je/dl-sepa-je/dl-dxe-je-140101.pdf Stepwest Corp Feb. 2014 140 エネルギー保存システム 9.15. 伊藤忠商事 会社名 技術カテゴリー 最近の動き 伊藤忠商事 炭酸リチウムの製造・販売 2013/10/11 20:08 伊藤忠商事は11日、リチウムイオン電池の主要材料とな る炭酸リチウムを、従来製法より２～５割安く生産することに成功したと発 表した。152 出資先の米シンボル社が持つ効率的な精製技術を活用する。 数十億円を投じ米カリフォルニア州に年産能力１万５千トンの専用プラント を建設。2015年度に量産を始める。 シンボル社が建設する新プラントの生産能力は、炭酸リチウムの世界需要の ６％に相当する規模。炭酸リチウムの生産は約７割が南米に集中しており、 米国での拠点確保は日本勢にとって調達先の多様化につながる。 同州ソルトンシーの地中から取り出した地熱発電用の熱水や蒸気には塩化リ チウムが豊富に溶け込んでいる。 シンボルは蒸気が冷えた熱水を専用プラントの特殊な吸着材に流し込み、塩 化リチウムだけを取り出し炭酸リチウムに精製する。 通常、炭酸リチウムは塩 などから取り出し１年半～２年ほどかけて生産す るが、シンボル社の製法であれば十数時間で精製でき大幅なコスト減につな がるという。 量産開始後、伊藤忠は戸田工業や日亜化学工業などリチウムイオン電池の正 極材メーカーに売り込む。 9.16. 宇部興産 会社名 技術カテゴリー 最近の動き 宇部興産 電解液素材を増産 宇部興産、電池素材の生産能力４倍に153 宇部興産はリチウムイオン電池の主力部材である電解液素材を増産する。 電解液は同社が２割超の世界シェアを握っている。 2015年４月をメドにタイに新工場を稼働させ生産能力を４倍にする。 現在は山口県宇部市の工場で年１万トンの生産体制だが、タイでの生産開始 で同４万トンに増える計画。 投資額は約20億円。 宇部興産は高機能素材を成長戦略の柱に位置づけており、電解液でシェア拡 大を狙う。 9.17. 住友金属鉱山 会社名 技術カテゴリー 最近の動き 152 153 住友金属鉱山 リチウムイオン電池正極材の生産能力３倍弱に 2013/9/26 19:40 住友金属鉱山は26日、リチウムイオン電池の正極材の生産能力を現状の３倍 弱に引き上げると発表した。 約48億円を投じて磯浦工場（愛媛県新居浜市）に新たな生産設備を導入する 。 同社の正極材は電気自動車（ＥＶ）ベンチャーの米テスラ・モーターズ（カ リフォルニア州）の電池に採用されている。 今後、同社のＥＶ販売が拡大するとみて需要増に対応する。 増産するのは正極材に用いる「ニッケル酸リチウム」。 http://www.nikkei.com/article/DGXNASDD110MH_R11C13A0TJ0000/ http://www.nikkei.com/article/DGXNASDD040R9_U3A001C1TJ2000/ Stepwest Corp Feb. 2014 141 エネルギー保存システム 住友鉱山が製錬から手がけるニッケルにコバルトやアルミなどを混合して生 産する。 2014年６月までに新設備を導入し、現状では月300トンの生産能力を月850ト ンにまで引き上げる計画だ。 住友鉱山の正極材はパナソニックのリチウムイオン電池向けが主体。パソコ ン用などの用途が中心だったが、パナソニックの電池を採用したテスラ製Ｅ Ｖの量産化が始まったことで、今後の需要拡大が見込めるとして生産能力を 引き上げる。 9.18. 韓国のメーカー 9.18.1. 韓国 LG Chem 社(LG 化学) 会社名 技術カテゴリー 沿革 設立年度 主な顧客 所在地 URL 年商 米国での生産の遅延と補 助金の返還 電池への投資額 154 韓国LG Chem社(LG化学) リチウムイオン電池 リチウムイオン電池の世界シェアは３位とされる。 1997年にリチウムイオン電池の研究開発に着手し、1997年に生産を開始。 世界出荷シェアが、2008年の8%から飛躍的に拡大し、2012年は17％と世界第３ 位に。 曲がるバッテリーなど、多種多様なモバイル機器に柔軟に対応できる製品を開 発している。 2013年には2200億ウォンの設備投資を計画しているが、自動車用については前 年の半分以下に抑制。 2013年には、ソフトバンクモバイルとリチウムイオン電池モジュールの供給契 約を締結し、韓国企業として初めて日本の通信事業者と大規模供給契約を獲得 した。 2013年の納入額は約8億7000万円。 1947年 米General Motors社のプラグインハイブリッド車「Volt」 韓国Hyundai Motor社のHEVにLiイオン電池の供給 ソフトバンクモバイル 韓国ソウル市 http://www.lgchem.com/global/main 売上高が14兆4878億ウォン(2008年) 米政府から151百万ドルの補助金を受け、2010年7月の起工式にはオバマ米大 統領が出席した、LG化学子会社 Compact Powerのミシガン州Hollandのリチ ウムイオン電池工場は、当初、 2012年に稼動し、2013年末までに"Chevy Volt"ベースで6万台分を生産する予定であった。 しかし、電気自動車が不振で、ＧＭは2012年に「Volt」を5万台売るという 目標を設定したが、2012年10月までの販売台数は2万台弱に止まっていた。 このため、LGは工場完成後も生産開始を行わず、 韓国からのリチウムイオ ン電池輸出を続けた。 2013年2月にエネルギー省のInspector General （監察官）はLG Chem とエ ネルギー省職員を非難する報告書を発表した。 これを受け、エネルギー省はLGに対し補助金のうち、 842千ドルの返還を命 じた。 LGは2013年11月5日、米政府に1,231千ドルを支払うことで司法省と合意した 。 LG化学全体では、13年は2200億ウォンの設備投資を計画している。 うち、ポリマー型LiBの拡大投資に700億ウォンを投じる。 車載用LiBの拡大を積極的に進めてきた同社であるが、環境対応車の普及が 遅れている市況などを勘案、前年に比べ半分以下に抑制する。154 http://www.sangyo-times.jp/kn/photoArticle.aspx?ID=104 Stepwest Corp Feb. 2014 142 エネルギー保存システム 9.18.2. 韓国 Samsung SDI 社 会社名 概要 最近の動向 設立年度 親会社（合弁の場合） 所在地 URL 年商 Robert Boschとの提携解 消 投資の拡大 伊藤忠商事が日本で販売 9.18.3. 会社名 技術カテゴリー 用途 Stepwest Corp 韓国Samsung SDI社 太陽電池、燃料電池、電気自動車等輸送用バッテリー、電力貯蔵用大容量スト レージなどを製造販売する。 2000年よりリチウムイオン電池の開発に着手。その後急速にビジネスを拡大 、 2012年の世界出荷シェアでパナソニックを上回り、初めて年間首位となる。 自動車用二次市場にも進出を図り、2008年に独電装部品大手のボッシュと自 動車用リチウムイオン電池に関する合弁会社SB LiMotiveを設立したが、 2012年に合弁を解消。 解消後、自動車用リチウムイオン電池のシステム開発事業はボッシュに帰属 し、その後ボッシュは2013年にGSユアサ、三菱商事との提携を発表した。 今後も自社やアップル社向け製品へのラミネート型電池の需要が大きく拡大 すると予想される。 1970年 韓国の大手電機メーカーで、サムスングループに属する。 韓国水原市 http://www.samsungsdi.com/battery/lithium-ion-battery.jsp 2008年の通期決算では、売上高が5兆3028億ウォン、営業利益は1330億ウォン、 純利益は389億ウォンである。 2009年現在サムスンSDIは世界最大の有機EL製造企業である。 2008年7月の発表によると5年後には売上高1兆円を目指すと発表した。 2020年までに約4400億円をLiイオン2次電池事業に投資する計画 電装部品大手のRobert Bosch（ボッシュ）は2012年9月5日（欧州時間）、 Samsung SDI（サムスンSDI）との車載リチウムイオン電池に関する合弁を解 消すると発表した。今後ボッシュは、車載リチウムイオン電池セルの研究開 発や製造を、ドイツや欧州域内で行う方針である。 同社は、2008年9月に両社が50％ずつ出資して設立したSB LiMotiveの株式を サムスンSDIに全て売却する。BMWやクライスラーなど、SB LiMotiveがこれ までに受注した案件については、両社が責任を持って製品を供給する。SB LiMotiveが保有する特許についても、両社が利用できるように取り決めた。 電池管理技術を中核とする車載リチウムイオン電池のシステム開発事業は、 ボッシュに帰属することになる。 シ ス テ ム 開 発 を 担 当 し て い た 、 ド イ ツ の シ ュ ツ ッ ト ガ ル ト に あ る SB LiMotiveの子会社と、米国の子会社Cobasysはボッシュが経営を引き継ぐ。 サムソンSDIはリチウムイオン電池に関する設備投資を積極的に行っており 、2013年は前年比1.5倍の約7150億ウォンを計画している。 うち9割以上がLiB関連投資と推測される。 2012年から同事業用に稼動しているマレーシア工場をメインに今後増強を図 っており、2014年には同工場の生産量が年間4億個（全体の1/3以上）に達す る見込み。 同拠点は、元々ブラウン管工場であったものをLiB工場に転換し、12年5月か ら稼働を開始。 伊藤忠商事は今月末までに低価格の定置用リチウムイオン蓄電システムを発 売する。 韓国サムスンＳＤＩ社から電池を調達することで、国内メーカーに比べてシ ステム価格を半額以下に抑えた。小売店やオフィスなどに売り込む。 非常用電源のほか、割安な夜間電力を蓄えて昼間に使うことで電力コストを 抑制できる。 2014年度に200台の販売を見込む。販売するシステムの蓄電容量は16.8キロ ワット時で、500万円を切る価格 韓国 Samsung SDI 社 SBリモーティブ（SB LiMotive） リチウムイオン電池 車載用 Feb. 2014 143 エネルギー保存システム 設立年度 親会社（合弁の場合） 2008年9月に両社が50％ずつ出資して設立 2012年9月に合弁を解消 韓国のサムスンSDIとドイツのボッシュ社の合弁会社したが、2012年9月に合弁 を解消 現在はサムスンSDIの１００％子会社 9.19. 中国のメーカー 9.19.1. BYD 社（比亜迪） 会社名 中国BYD社（比亜迪） http://ja.wikipedia.org/wiki/比亜迪 グループ企業各社を通じて、IT部品（二次電池、携帯電話部品・組立）と、自 動車の2大事業を展開 リチウムイオン電池の製造で世界第3位、携帯電話用では世界第1位のメーカー 。 さらに電池事業のノウハウを生かして自動車事業に参入し、2008年12月には世 界初の量産型プラグインハイブリッドカーを発売。 2009年2月の中華人民共和国内の自動車販売台数トップは同社産のF3であった。 1995年 22億7,510万元 世界最大の投資持株会社であるバークシャー・ハサウェイの会長兼CEOのウォー レン・バフェットが、MidAmerican Energy社を通じて出資している 中国広東省深圳市 http://www.byd.com.cn/views/home/indexe.htm 連結：212億1,121万元（2007年） 脚注のホームページにある様に、非常に多種類のバッテリーセルを製造販 売している。155 技術カテゴリー 用途 設立年度 資本金 投資家 所在地 URL 年商 製品 9.19.2. 中国天津力神電池 Tianjin Lishen 社 会社名 技術カテゴリー 用途 設立年度 親会社（合弁の場合） 主な顧客 所在地 中国天津力神電池Tianjin Lishen社 中国の2次電池分野第2位のメーカー 車載用とESS 1997年12月25日 中国海洋石油総公司（中国国有の石油・天然ガス企業グループ）、天津電源研 究院、中国国家投資ハイテク 携帯：LG、サムスン、モトローラ、中国大手に 携帯音楽プレーヤー：Apple、 電動工具：TTI、POSITEC、MOTOCADDY 車載やESS：CODA（米国で商業化） 中国天津 9.20. 米国 9.20.1. 会社名 設立 155 156 Johnson Controls 社 米国Johnson Controls社156 ジョンソンコントロールズ (NYSE: JCI) はアメリカ合衆国の会社であり所在地 はウィスコンシン州ミルウォーキーである。 http://bydit.com/doce/products/Li-EnergyProducts/ http://en.wikipedia.org/wiki/Johnson_Controls Stepwest Corp Feb. 2014 144 エネルギー保存システム 自動車用バッテリーへの 進出 鉛電池のブランド 売上 所在地 URL 9.20.2. 会社名 本社 URL 設立 強み 三井物産が出資 9.20.3. 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 157 158 1885年に電気式サーモスタットを発明した教授であるウォーレン・S・ジョンソ ンが創業した。 1978年にはウィスコンシン州の自動車バッテリメーカーであるGlobe-Unionを吸 収する。現在ではジョンソンコントロールズは北米で最も大きいプライベート ブランドの自動車用バッテリーメーカーとなっており、南アメリカとアジアへ エリアを広げつつある。 また、通信用の緊急用バッテリーの製造を行っている 。 自動車の始動用の鉛電池で下記の２つのブランドを世界で展開 OPTIMA VARTA US$ 42.7 billion (2013) 本社は米国のミルウォーキー 支社は世界各国 http://www.johnsoncontrols.co.jp/content/jp/ja.html Viridity Energy 社 米国Viridity Energy社 ペンシルベニア州 http://viridityenergy.com 世界最大の米電力卸取引所 「PJM」 の幹部らが2008年に創業。 同社は企業の節電分を電力会社が買い取る仕組みなど電力業界に精通した強み を生かした制御ソフトを開発。 同社のソフトでは、刻々と変わる電力需要、天候などの膨大な予測データを分 析。その結果をもとに大口需要家が持つ太陽光パネルなどの発電システムや蓄 電池の利用率、電力卸売市場などへの売電の最適な組み合わせを瞬時に割り出 す。 同時に空調設備などを遠隔操作して電力消費も減らす。 企業に電力利用の組み合わせを数分単位で提案できるのが強み。 2012年8月に約15%出資する。出資額は1500万ドル。 A123 System 社 米国A123 Systems社157, 158 オリビン型リン酸鉄リチウム 自動車用、定置用 2001年、ベンチャー企業としてマサチューセッツ州ウォルサム市にて創業。 マサチューセッツ工科大学で開発が進められていたオリビン型リン酸鉄リチウ ムを利用した電気自動車搭載用電池の商品化を進めた。 電気自動車用のリチウムイオン電池の開発・普及は、2008年に就任したオバマ 大統領が推進するグリーン・ニューディール政策に沿うものであり、アメリカ ・エネルギー省から2億4900万ドルの助成金を獲得。 ミシガン州に有する工場のほか中国にも工場を進出させて注目を浴びた。 http://ja.wikipedia.org/wiki/A123・システムズ http://en.wikipedia.org/wiki/A123_Systems Stepwest Corp Feb. 2014 145 エネルギー保存システム 経営の悪化 買収先 その後 自動車メーカー各社と契約を結び製品を納入を開始。 順風満帆に見えた2011年、A123システムズ社製の電池 を搭載した高級ハイブリッド車、フィスカー・カルマ が炎上事故を起こす。 原因はリチウムイオン電池にあるとされ、自動車はリ コール。 A123システムズには5,500万ドルもの費用が発生する とともに製品の評価は下落、商談が破談になるなど致 命的な打撃を受けた。 これが遠因となり、2012年に連邦倒産法11章の申請を 行うに至っている。 図 9-6 A123 のリチウ ムイオン二次電池が搭 載された Fiskar の電気 自動車（出典： WikiPedia） 破産申請当初、大手自動車部品メーカーであるジョンソンコントロールズ社が1 億2,500万ドルで買収することが伝えられていたが、その後、万向集団（アメリ カで自動車部品メーカーの買収して成長した中国系企業）が、2億5,600万ドル を提示して買収交渉をひっくり返した[2]。 定置向けとして、出荷を継続している。 AES CorporationがA123のバッテリ−をト ランク型のユニットに組み込み、チリや 米国の送電網等に設置。 図 9-7 A123 の定置向けリ チウムイオン二次電池コン テナー（出典：同社ホーム ページ） Stepwest Corp Feb. 2014 146 エネルギー保存システム 10. 添付資料-B : 「米国に於けるバッテリー関連ベンチャ ー企業」 10.1. Ambri: (旧社名：Liquid Metal Battery) 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品 技術的特徴 159 160 161 Ambri: (旧社名：Liquid Metal Battery)159160 Liquid Metal Battery（液体金属バッテリー） 定置型（送配電網むけ） 2010年 40+名 19 Blackstone Street, Cambridge, MA 02139 http://www.ambri.com Series A : Bill Gates、トタール社（フランスのエネルギー会社） Series B : VCより$15 million（Khosla VenturesがリードでAの出資者も追加 出資）May 2012 MITの教授のDon Sadoway １つのセルが14kWhで、これを集積したコアが、200kWh。コアを集積した物 を, PODと呼び400kWh、PODを５台集めたシステムが2MWhとなる 更に大容量にする為には、このシステムを何台か並べる 溶融塩を用い、２層の金属でサンドイッチにした定置型蓄電システム まだ研究開発段階で、量産設置は数年先になる見込 本システムの一番の特徴は、電極も電解質もすべて 液体金属である事。161 それぞれのセルの中の金属は高温(700C)になるに従 って溶け出し、その重さによって３層を形成する。 上層よりマグネシウム、溶融塩、アンチモン。 （ マグネシウムを使う事により、アンチモンが非金属 のように振る舞う） 図 10-1 Ambri 社の液体金属電池の構造 電 極 材 料 と して マ グ ネシ ウ ム （出典：同社ホームページ） (magnesium Mg) と ア ン チ モ ン (antimony Sb)を 選んだ。その 後、より高電位とコスト低減を計る為に改良を図っている。 下図に示すように、放電時には片方の電極であったMgが電荷を放出して、反対方向の 電極でMg-Sbを生成し、外部に電源を供給する。完全に放電された時点では、Mg電極は 無くなり、対極で Mg-Sb合金となる。 充 電 時 に は Mg-Sb 合 金が外部の電荷を得 る事によって、Mgを 離し、対極にMgの電 極 を 再 生 す る 。 MgSb合金はMgを失う事 によりMgに戻る。 図 10-2 Ambri 社で用いられる電極材料の構造の変化 特徴は、構成がシン （出典：同社ホームページ） プルであり、廉価な 材料のみを用いる。 NaS バ ッ テ リ ー よ り も低価格になると思われる。 高温（７００度）にしなければいけないが、熱暴走や発火の危険性は少ない。 http://www.technologyreview.com/featuredstory/511081/ambris-better-grid-battery/ http://www.greentechmedia.com/articles/read/bill-gates-and-total-invest-in-sadoways-liquid-metal-battery/ http://web.mit.edu/newsoffice/2009/liquid-battery.html Stepwest Corp Feb. 2014 147 エネルギー保存システム 10.2. Aquion Energy 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 技術的特徴 Aquion Energy162,163,164 塩水バッテリー（水溶性ハイブリッドイオン） グリッド向け 2007 Pittsburgh, Pennsylvania http://www.aquionenergy.com 2011年に$20M (Kleiner Perkins Caufield & Byers and Foundation Capital.) 2013 年 に $35M (Bill Gates, as well Bright Capital, Gentry Venture Partners, and existing investors Kleiner Perkins and Foundation Capital) 2014年１月に追加で$20M 合計$85M DOE:$5M Carnegie Mellon University 「水溶性ハイブリッドイオンAqueous Hybrid Ion (AHI)」と呼んでいる技術 165 ありふれた材料のみを用いることで低コスト化($300/kWh)を達成 電解質は「硫酸ナトリウムを含む水溶液電解質」 、カソードは「マンガン 酸化物」、アノードは「炭素の複合材料」 、セパレーターは「セルロース の不織合成素材」 350,000 square foot の製造工場がペンシルベニア州に立ち上がる予定 図 10-3 水溶性ハイブリッドイオン方式の定置用のバッテリーセル （出典：同社ホームページ） 製品 まだ量産はスタートしていないが、２０１４年からスタートする模様である。 会社のウエブサイトによると、下図の製品構成となり見込である。 162 http://www.pehub.com/2013/04/aquion-energy-holds-first-close-35mround/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A%20pehub%2Fnews%2Fall%20%28PEHub%20News%29& utm_content=Google%20Reader 163 http://www.nanalyze.com/2013/11/aquion-energys-saltwater-batteries/ 164 http://www.smartplanet.com/blog/science-scope/video-batteries-made-of-salt-water-last-10x-longer/ 165 http://gigaom.com/2013/04/02/bill-gates-investors-back-sodium-battery-startup-aquion-energy/ Stepwest Corp Feb. 2014 148 エネルギー保存システム 図 10-4 左より、基本セル、スタック(1.5kWh, 100kg)、モジュール (18kWh, 1250kg)、バルクシステム（出典：同社ホームページ） 10.3. Amprius 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品技術的特徴 166 Amprius166,167,168,169 リチウムイオン電池向けのアノード (シリコンナノワイヤー（チューブ）をさらにシリコンオキサイドでコーティン グして作成したアノード) 各種のリチウムイオン電池 May 2008 不明 225 Humboldt Ct. Sunnyvale, CA 94089 http://www.amprius.com Trident Capital, VantagePoint Venture Partners, IPV Capital, Kleiner Perkins Caufield & Byers, and Dr. Eric Schmidt National Institute of Standards and Technology の Technology Innovation Program(TIP)より$3Mの補助金を受けた Amprius の コ ア 技 術 を開 発 した Founder の Yi Cui は 、 ス タン フ ォ ー ド大 学 の materials science and engineeringの元教授 リチウムイオン二次電池は、負極（アノード）としてグラファイト(C6Li1)を 使う事が多いが、当社はシリコン(Si5Li22)のナノワイヤーを用い、負極の容 積と重量を大きく削減し、同時に負極の表面積が拡大する事によりバッテリ ーの容量を大きくする技術を開発中。 ナノワイヤーを構成する際に、シリコンを更にコーティングして壊れにくく している。 毛が根元でしっかり繋がってはいるが自由に動く事が出来る。 数社へのOEM供給が決まっている模様 最初の世代の負極で、580~600Wh/Lを達成。第２世代で650~700Wh/Lを目標に 技術を改良中。（通常のLiBは400Wh/L程度） 寿命的には、500回の充放電を繰り返した後で80%の効率を達成しなければい けない。 http://gigaom.com/2010/09/15/amprius-building-a-better-battery-from-the-anode-up/ 167 http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/merit_review_2012/energy_storage/es126_stefan_2012_p.pdf 168 http://www.cnet.com/8301-17918_1-57503812-85/smartphone-battery-life-2-problems-4-fixes-smartphonesunlocked/ 169 https://news.slac.stanford.edu/features/new-nanostructure-batteries-keeps-going-and-going Stepwest Corp Feb. 2014 149 エネルギー保存システム 工場を中国に建設予定 図 10-5 Amprius 社のバッテリーセルの構造（出典：同社ホームペ ージ） 10.4. ActaCell 会社名 ActaCell: (2012年９月にContour Energy Systemの１部門になった) 170 , 171 , 172 ,173 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 170 171 172 173 低価格高性能なリチウムイオン電池 車載他 2007年 不明 Austin, Texas http://www.actacell.com http://www.contourenergy.com/technology/rechargeable.html 2007 年 に $5.8M の 資 金 調 達 を 下 記 か ら 。 Google.org, DFJ Mercury, Applied Ventures (Applied Materials) Google.org 2010 年 に $3M の 補 助 金 を National Institute of Standards and Technology (NIST). テキサス大学オ–スチン校の教授だったArumugam Manthiramが開発した技術をラ イセンスして創業 http://www.bizjournals.com/prnewswire/press_releases/2012/09/05/LA68596 http://gigaom.com/2012/09/06/battery-startups-join-forces-contour-acquires-actacell/ http://energystoragetrends.blogspot.jp/2010/12/actacell-wins-3m-nist-award-for-li-ion.html http://news.cnet.com/8301-11128_3-9997926-54.html Stepwest Corp Feb. 2014 150 エネルギー保存システム 製品技術的特徴 負極（アノード）は高エネルギーのナノ合金 （詳細は不明） 正極（カソード）はマンガン酸リチウム（ス ピネル構造）を何層にも重ねてコーティング するとのこと 詳細は不明だが、テキサス大学からライセン スされた、マンガン酸リチウム（スピネル構 造）の有効な特許を保持しているとの事。な お、日産リーフ(バッテリーの製造はAESC)も スピネル構造のマンガン酸リチウムカソード 素材を用いている。 電気自動車用途のバッテリーセルとモジュー ルの開発と行っているとの事。 写真はActaCellの3.7V 8Ah Power Cell 図 10-6 ActaCell 社のバッ テリーセル（出典：同社ホー ムページ） 10.5. Atieva 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品技術的特徴 Atieva: 174,175 自動車用のバッテリーシステム（バッテリー機構、管理ソフトウエア、他） 自動車（バス、トラック含む）むけのバッテリーシステム全般 2007 不明 1100 Island Drive, Suite 103, Redwood City, CA, 94065, USA http://www.atieva.com Beijing’s China Environment Fund III, Venrock, Mitsui & Co, and JAFCO Asia. 元Tesla Motors副社長のBernard Tseが創設 自社ではセルを作らず、外部から調達する 自動車メーカーからの仕様にあわせて、カス タムのバッテリーモジュールを開発・量産す る。 自社開発のソフトウエアに特徴がある模様 中国のバスメーカー向けのバッテリーシステ ムが市場に出ている模様。 車載用のバッテリーシステムに特化したビジ ネスモデル 図 10-7 Atieva 社の自動車 用バッテリー（出典：同社ホ ームページ） 10.6. Alveo Energy 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 Alveo Energy power grid他 2012年 不明 174 http://pevc.dowjones.com/article?pid=32&an=DJFVW00020110120e71k000dx&ReturnUrl=http%3a%2f%2fpevc.dowjones. com%2farticle%3fpid%3d32%26an%3dDJFVW00020110120e71k000dx 175 http://gigaom.com/2009/12/31/atieva-picks-up-7m-for-battery-tech/ Stepwest Corp Feb. 2014 151 エネルギー保存システム 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品の技術的特徴 当初はLawrence Berkeley National Laboratoryの施設を用いていたが、今は south Palo Altoに自前の実験施設を持っている http://www.alveoenergy.com Khosla Ventures The Molecular Foundry $4 million grant from ARPA-E. Stanford PhD学生だったColin Wessellsと、Stanfordの教授のRobert Huggins が起業 水とプルシアンブルー染料と鉄と銅を用いるバッテリーを開発中 非常に低価格で長寿命 陰極(negative electrode )には、 多孔質の炭素素材にpolypyrroleと 呼ばれる素材を混ぜ、ハイブリッ ド構造とした。 陽 極 (positive electrode) に は 、 プルシアンブルー染料を中心とし た素材をもちいる これらにより、92%と非常に高い放 電効率を実現 図 10-8 Alveo Energy 社のポーチ型 1,000回の充放電を繰り返してもエ バッテリーセル（出典：同社ホームペ ネルギーロスが起きない ージ） プルシアンブルー染料の組成を工 夫してテストを繰り返す事により、40,000回の充放電に耐えられる事を確認 した（なお、通常のラップトップバッテリーは、500回程度の充放電で性能 が大幅に劣化する） 10.7. Imergy Power Systems, Inc. （旧社名：Deeya Energy） 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか Imergy Power Systems, Inc. （旧社名：Deeya Energy）176 レドックス・フロー電池（Fe/Cr） 定置型 2004年 不明 カリフォルニア州Fremontに本社、インドの Gurgaon に拠点 http://www.imergypower.com Technology Partners 、 BlueRun Ventures 、 Draper Fisher Jurvetson 、 New Enterprise Associatesなど有数の投資機関から総額5300万ドルの資金を調達。 レドックスフロー電池の発案者として知られ る元 NASAの Lawrence Thaller氏が技術顧問 として参画する企業である 現在のCEOのBill Watkinsは、LED chipメーカ ーのBridgeluxのCEOや、ハードディスクメー カーのSeagate TechnologyのCEOを歴任 図 10-9 Imergy Power Systems 社のフローバッテリ ー（出典：同社ホームペー ジ） 製品の技術的特徴 176 同社の特許技術Lセル(Liquid Cell)を使用したレドックス・フロー電池は、 http://www.forbes.com/sites/uciliawang/2013/12/03/coming-to-your-home-a-battery-the-size-of-a-fridge/ Stepwest Corp Feb. 2014 152 エネルギー保存システム NASA によって開発された電池技術を基盤にしたFe/Cr系であり, それを適用 した無線基地局向けでの数kW級の製品を開発している。 同社の製品は,他社と違い 5 ~ 50 °Cの温度環境でも使用できる。 また,重金属を使わず有毒ガスを発生しない環境に優しいリサイクル材を使 用している。 10.8. EnerVault 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 補助金 製品技術的特徴 実証実験 177 EnerVault177 鉄・クロミウムを用いたレドックスフローバッテリー178 グリッド 2008年 不明 Sunnyvale, CA http://enervault.com 3M Company, Commercial Energy of California, Mitsui Global Investment（ 三井物産）, Oceanshore Ventures, TEL Venture Capital(東京エレクトロン), Total Energy Ventures(仏のトタール), US Invest, LLC => $3.5M U.S. DOE ARRA Storage Demonstration grant($4.7M) California Energy Commission / Public Interest Energy Research Grant($476K) 通常のフローバッテリと同様に２つのタンクを持ち、ポンプが電解液を循環 させて、充電／放電を行う。 一方のタンクには鉄(iron)を含む 電解質の溶液が蓄えられ、これが エネルギーを貯蔵する物質となる 。 もう一方のタンクには、クロミウ ム（chromium）を含む電解質の溶 液が満たされている。 “engineered cascade design,” と呼ばれる特許技術により、複数 のセルを直列に並べ電解質の溶液 図 10-10 EnerVault 社が DoE の補助 をセルのクラスターを順番に通し て行く。 金を得て実証実験している 250kW のフ 各セルに使われる電解膜は、異な ローバッテリー（出典：報道資料） る浸透性を持つようになっている DOEの$4.7Mの補助金を受けて、蓄電性能の実証実験を行っている。 250kW(1MWh)のフローバッテリーをCalifornia州Turlock設置。 断続的に発電する再生可能エネルギー発電と組み合わせ効果を検証する事が 目的。 この実証プロジェクトでは、灌水設備用の大きなポンプを駆動するために用 いられている２軸の追尾装置を付けた太陽光発電パネルで発電した電力を蓄 えることにより効率を向上させ、同時にdemand chargesを減らす事を目的と している。 http://gigaom.com/2011/06/27/a-battery-startup-flows-toward-launch/ 178 http://pdfpiw.uspto.gov/.piw?docid=07820321&SectionNum=1&IDKey=9983134C0001&HomeUrl=http://patft.uspto.gov/n etacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2%2526Sect2=HITOFF%2526p=1%2526u=%25252Fnetahtml%25252FPTO%25252Fsearchbool.html%2526r=1%2526f=G%2526l=50%2526co1=AND%2526d=PTXT%2526s1=7820321.PN.%2526OS=PN/7820321%2526RS=PN/782 0321 Stepwest Corp Feb. 2014 153 エネルギー保存システム 10.9. Eos Energy Storage 会社名 技術カテゴリー 用途 所在地 URL 出資や補助金の有無 製品 Eos Energy Storage179,180,181,182 亜鉛・空気バッテリー Grid New York http://www.eosenergystorage.com $12 million in venture capital, $15 million Series B financing round with participation from a syndicate of 21 strategic and financial investors. EosとConsolidated Edison (ConEd)がシステムテストに使う$250,000の補助金 は、New York State Energy and Research Development Authority (NYSERDA) が供給した物である Eos Auroraと呼ばれる定置型のバッテリーを商 品化. １基あたりの容量は1MW(6-MWh) 図 10-11 1MW(6MWh の亜 鉛空気バッテリー（出典： 同社ホームページ） 技術的特徴 実証実験 10.10. 会社名 75%の充放電エネルギー効率 10,000回の充放電サイクル、または 30年の寿命 亜鉛を使う事によってシステム価格を安くする事が出来る。目標のシステム 価格は$1,000/kWhであり、６時間のシステムでkWhあたり$160となる。 zinc air-based batteryを充電可能にするのは、空気がanodesとcathodesを 劣化させるため難しいがこれを克服した。 塩水をaqueous electrolyteに使う、必要に応じて液体を追加する。これに より、6,000 cyclesの実験室でのテストに耐えた。将来は10,000回に耐える ようになるだろう。 現在のbattery management software (BMS)の改良を続けている（液体を充 満させた各セルの状態をモニターする）気をつけないと熱暴走するが、Eos のaqueous-based, electrolyte-filled cellsは高温になった際には自分自 身をパワーダウンさせる事が出来、火事にはならない。 Consolidated Edison (ConEd)と実証蓄電プランを建設中。これは2014年前 半に稼働を始める予定。この実証向け製品の製造はニューヨークを拠点とす るINCODEMA GROUPというプロトタイプ製造サービス会社が行う。 EosはConsolidated Edison以外にも、５社と小規模のパイロットプラントを 計画中 GELI: (Growing Energy Lab Inc.) GELI: (Growing Energy Lab Inc.)183 179 http://www.greentechmedia.com/articles/read/eos-puts-its-zinc-air-grid-batteries-to-test-with-coned http://www.businesswire.com/news/home/20131111006006/en/Eos-Energy-Storage-Incodema-Group-RampProduction#.UsfUehaIDPc 181 http://www.greencarcongress.com/2013/05/eos-20130521.html 182 http://revolution-green.com/eos-aurora-zinc-air-battery-system-follow-up/ 180 Stepwest Corp Feb. 2014 154 エネルギー保存システム 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品 技術的特徴 10.11. バッテリーシステムを管理する為のソフトウェア 各種のバッテリーシステム 2010年 ？名 San Francisco, CA http://geli.net/home 不明 不明 グリッド向けの蓄電システムを管理する為のオペレーティングシステムと各種 のソフトウェアを開発 企業やビルのオーナーや電力会社は、GELI社のソフトウェアシステムを組み 込んだバッテリーを用いる事により、太陽光発電システムと蓄電を効率よく 組合せたり、発電と電力消費の需給のバランスが崩れた時の蓄電や放電の管 理を行う事が出来る。 韓国のKokam社が、このオペレーティングシステムをテスト中 GENIは、コミュニティーの中でシステム使用者が複数の場合、GENIを使って システム同士を連携できる。さらに余剰電力はコミュニティー内で共有する こともできる。 GENI利用時には、メールアドレスのようなURLがサーバーから各個人に与え られる。各アドレスから、各使用者の電気使用料、太陽光での電気の生産量 、蓄電量、グループと個人の生活に必要な電気のデータを全て計算できる。 そのデータに基づき各使用者の必要電気量を把握し明確な数字で割り出す。 そうしたデータを使用する事で、消費者個人が必要な電力を生産できるエネ ルギーバンク、そしてエネルギーオペレーターになれる。さらにソーラーパ ネルを使用する際に、電気使用の値から１世帯に何枚のパネルが必要かなど 計算することが可能。 このシステムは電力会社との電力併用にも使用できる。自分の使用している 電力の供給先がこのシステムから把握する事が可能。災害時に電力会社から の電力が途絶えても、蓄電池で電力使用ができるため、電力会社に頼らずコ ミュニティーや、個人で数字を使って災害対策ができる。 Imprint Energy 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品 Imprint Energy184 印刷技術を用いた亜鉛バッテリー 携帯型危機向け、ウエアラブル、健康機器、フィットネスモニタリング、医療 機器 2010年 不明 1320 Harbor Bay Parkway Suite 110, Alameda, CA 94502 http://www.imprintenergy.com Dow Chemical In-Q-Tel(support the missions of the U.S. Intelligence Community) FlexTech Alliance(U.S. Army Research Laboratory (ARL)) UC Berkeleyで開発された技術がベースとなっている リチウムでは無く、亜鉛を用い、スクリーン印刷技術を用いる事で低コスト で製造が可能(Zinc Poly™) 非常に薄型で柔軟(pliable)でかつエネルギー密度が高い 一部の顧客向けに少量生産を行っているとのこと 183 http://www.forbes.com/sites/uciliawang/2012/05/08/energy-storage-its-all-about-the-software/ http://alternas.jp/study/it_social/16631 184 http://gigaom.com/2013/01/08/a-new-battery-that-could-revolutionize-wearables/ Stepwest Corp Feb. 2014 155 エネルギー保存システム ポリマー（重合体、高分子化合物）を電解質に用いる事により、室温での高 いイオン導電性(~10-3 S/cm)を持ち、機械的にも強く、セパラーターを必要 としない。 エネルギー密度(>5 mAhr/cm2, 300 Wh/L)は、リチウムポリマー電池よりも優 れている。 最小パッケージングの厚さは300ミクロン以下である リチウムを用いる場合に比べて発火の危険性が無く、リチウムポリマー電池 に比べて半分以下のコストで製造可能。 確立された“roll to roll”の印刷技術を用いた製造方法を用いる事が出来 る。 技術的特徴 図 10-12 印刷技術を用いたロールツーロールで製造可能な亜鉛電池（出典： 同社ホームページ） 10.12. Leyden Energy 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品技術的特徴 Leyden Energy (旧社名：Mobius Power)185,186,187,188,189,190 リチウムイオン電池 タブレット、スマートフォン、パーソナルWiFiラウター スタートストップビークル 2007 Fremont, California http://www.leydenenergy.com 設 立 以 来 、 A/B で $38M を 調 達 （ New Enterprise Associates, Lightspeed Ventures, Sigma Partners, Walden International.） 2013に上記の既存VCより$10MのラウンドCを実施（合計＄４８M） The United States Advanced Battery Consortium LLC (USABC)が$2.28Mのコン トラクト契約。（スタートストップ自動車の技術開発に） DuPontから特許をライセンス 電解質としてリチウムイミド 191(Lithium imide, Li2NH)を採用する事により 、高温での特性を向上し、かつ容量を増やせた。 また電解質の水と反応しないため、長寿命(1,000回以上の充放電) （多くの 会社はPF6(hexa-fluoro-phosphate)をベースとした電解質を使っているが、 これはアノードと反応してhydrofluoric acid (HF)を発生し劣化をもたらす 185 http://www.greentechmedia.com/articles/read/10M-VC-Infusion-for-Consumer-Battery-Startup-Leyden-Energy http://www.cnet.com/8301-17918_1-57503812-85/smartphone-battery-life-2-problems-4-fixes-smartphonesunlocked/ 187 http://www.leydenenergy.com/news/press_releases/2012 188 http://www.greencarcongress.com/2013/06/leyden-20130603.html 189 http://gigaom.com/2013/01/23/battery-startup-leyden-energy-raises-10m-for-its-next-gen-lithium-ionbatteries/ 190 http://allthingsd.com/20120110/battery-maker-leyden-energy-announces-pact-with-powermat/ 191 http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_imide 186 Stepwest Corp Feb. 2014 156 エネルギー保存システム ） シリコンベースのアノード 中国のコントラクトマニュファクチャラーに製造委託 2010以降、ノートパソコ ン(HP製他)のバッテリー のアフターマーケット向 け に 100,000 個 以 上 の 18650フォーマットのバッ テリーを製造出荷実績が ある。 但し今後はパウチ型のセ ルの出荷が増えると予想 図 10-13 Leyden Energy 社のリチウムイオン二 している。 次電池の構造（出典：同社ホームページ） nVidea社のタブレット機 器(Tegra3)の開発プラットフォームに採用された PowerMat社にも採用された 採用実績 10.13. Pellion Technologies, Inc. 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品および技術的特徴 Stepwest Corp Pellion Technologies, Inc. マグネシウムイオンバッテリー 車載、携帯デバイス等 2009年 不明 625 Mount Auburn Street, Suite 105, Cambridge, MA 02138, USA http://www.pelliontech.com Khosla Ventures. ARPA-E program($3.2M) MITの技術のスピンアウト FounderのGerbrand Cederは、元MITの教授 リチウムイオン電池を越えるエネルギー密度をマグネシウムイオンで達成 Anodeはマグネシウムであるが、それにベストフィットするカソード材料を 選定 同社によると、マグネシウムイオンは、リチウムイオンに比べて原子あたり の電荷（放出する電子）が２倍であり、またエネルギー密度もリチウムイオ ンに比べて高くなり、結果としてリチウムイオン電池に比べて高性能となる また、マグネシウム原子は、リチウム原子に比べて、アノード電極での劣化 が少ない（リチウム原子は充放電を繰り返すと劣化がはげしい） またマグネシウムは豊富に産出されるため、廉価 ただし、マグネシウムイオン電池を充電可能にするにはカソード材料の選択 が重要となり、現在のところまだ実用化（量産化）に至っていない また、マグネシウムイオンのmobility(易動度)がリチウムイオンに比べて低 い 当社は、コンピューターモデリングを駆使する事により、10,000種類以上の cathode電極素材の特性をシミュレーションし、最適な素材を短期間に選択 可能にした ファウンダーのGerbrand Ceder教授は、MITで「マテリアルゲノムプロジェ クト」を成功に導いた事で有名 リチウムイオン電池の置き換えとしては、マグネシイオンだけでなく、他の 素材も活発に研究されている。（例えば、Li-S, Li-air, Li-cobalt, Znair and Na-metal halide等） トヨタ自動車も、マグネシウムイオン２次電池の研究を行っていると表明し ているが、実用化は２０２０年以降だとしている。 Feb. 2014 157 エネルギー保存システム 10.14. Prieto Battery 会社名 技術カテゴリー 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品の技術的特徴 10.15. 会社名 Prieto Battery: 192193194195196 固体電池 lithium ion battery、ナノテクを用いたナノワイヤーをアノードに し、電解質はポリーマー、かつ全体を３次元構造に 不明 4227 LOOKOUT LANE, FORT COLLINS, COLORADO http://prietobattery.com/tech.htm $5.5M コロラド州立大学教授のAmy Prietoが創業 通常のLiBでは電解質が液体であるが、Prieto Batteryでは、固体（ポリマ ー）を用いている。 アノードは極めて細い銅(Cu2Sb) のナノワイヤーをナノテクを用 いて製造する。これにより、表 面積を大きくする事が出来、よ り多くのリチウムイオンを保持 する事が可能となる。 電池の構造は３次元である。即 ち、正極（カソード）と負極（ アノード）を撚りあわせる (intertwined)。 右下の図が、３D構造を模式的に 示した物である。１本１本のア ノード電極（ナノワイヤー）の 廻りを電解質（ポリマー）で取 り囲み(コーティングし)、それ 図 10-14 2500 万本のナノワイヤーが１ をカソード電極で浸す。これに ペニー硬貨の上に形成可能。ナノワイヤ より、アノードからカソードへ ーのアノード（負極）を電解質が取り囲 の電荷の流れを３次元化し、Li む（出典：同社ホームページ） イオンの到達時間を短くする。 当社によると、こうすることにより、出力密度が上がり、寿命が５倍に長く なり、充電時間を短縮する事が可能（５分で充電）とのこと。 目標性能は、出力密度が14,000W/L、エネルギー密度が650Wh/Lとのこと。 全固体であり液体の電解液が無いため、通常のLiBに用いられている有毒化 学物質を除く事が可能とのこと。 まだ開発途上であり実証には時間がかかると思われる。 ペニー硬貨の表面積上に2,500万本のアノード電極を構成可能。 Primus Power Primus Power（プライマスパワー） 197198 192 http://gigaom.com/2012/03/01/how-computer-modelling-can-lead-to-battery-breakthroughs/ http://gigaom.com/2012/05/27/battery-startup-prieto-charges-up-with-funds/ 194 http://gigaom.com/2011/03/18/the-three-laws-of-batteries-and-a-bonus-zeroth-law/ 195 http://www.greentechmedia.com/articles/read/a-magnesium-battery-khosla-arpa-e-explore-lithium-alternative 196 http://origin.library.constantcontact.com/download/get/file/1102926161246-135/Gleb 197 http://www.kanaboconsulting.com/blog/2011/06/21/primus-power 198 http://www.businesswire.com/news/home/20130620005280/en/Primus-Power-Partners-Bonneville-PowerAdministration-Puget#.UseU6RaIDPc 193 Stepwest Corp Feb. 2014 158 エネルギー保存システム 亜鉛・臭素を使用したフロー電池199 スマートグリッドストレージ200 2009年８月 50名未満（2011年６月現在：LinkedInより） 3967 Trust Way Hayward, CA 94545 www.primuspower.com 第一ラウンドは2009年８月に完了 2011年５月、DBL Investors、I2BF Global Venturesが先導し、既存投資機関の Chrysalix Energy Venture Capital、Kleiner Perkins Caufield & Byersが参 加した第２ラウンドで$11Mを調達。 エネルギー省からは、研究開発活動に向けて、２種の助成金を受けている 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資やの有無 補助金 2009年、下記のModestoプロジェクトにおける経費の一部として、1400万ドル を受けた他、同省のARPA-E Programにおいては、風力・太陽エネルギーの貯蔵 に適した高電力密度のフロー電池に対応する、長期持続型の電極開発を目的に 助成金を確保した。 どこのスピンアウトか 製品の技術的特徴 発電施設の建設 10.16. 会社名 技術カテゴリー 同社の技術は、80年代、Electric Power Research Instituteが取り組んだ研究 活動が基盤となっている。 ベ ー ス ユ ニ ッ ト の 容 量 ： 250kW(1MWh) 製品の寿命：20年間 充 放 電 効 率 ： 70% AC-to-AC efficiency フロー電池対応の安価な金属電極 の研究に取り組むと同時に、大量 製造可能な製造工程を採用。 図 10-15 Primus Power 社のフローバ ッテリーをコンテナ内に設置した所 （出典：同社ホームページ） カリフォルニア州Modesto Irrigation Districtでの風力発電・太陽光発電の平 準化の実証プロジェクト 25M, 75MWの蓄電施設を建設中 このプロジェクトは、２年間に渡り、連邦政府が全米で展開しているエネ ルギー計画のひとつで、米エネルギー省が統括。 同計画には総額47Mドルの経費が見込まれているが、Primus Powerがその ３分の２のコストを負担していく。 この場合、１ワットあたりのコストは、1.88ドルと算出される (47M/25MW=1.88$/W, $47M/75MWh=$620/kWh) QuantumScape QuantumScape: 201,202 all-electron battery （フローバッテリーの一種か？）203 199 http://www.sandia.gov/ess/docs/pr_conferences/2012/papers/Wednesday/Session2/01_Stepien_DOEPeerReview_Primus Power.pdf 200 http://gigaom.com/2011/06/27/a-battery-startup-flows-toward-launch/ 201 http://finance.fortune.cnn.com/tag/quantumscape/ 202 http://gigaom.com/2011/10/05/the-valleys-next-big-battery-play-quantumscape/ 203 http://me.stanford.edu/research/centers/ahpcrc/Project1_6.html Stepwest Corp Feb. 2014 159 エネルギー保存システム 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品および技術的特徴 10.17. 電気自動車用、軍用 不明 不明（2013年に、87,000 square footのR&Dオフィスをリースした） San Jose, California http://www.quantumscape.com （ほとんど情報無し） Kleiner Perkins Caufield & Byers and Khosla Ventures. ARPA-E grant Stanford大学で開発された技術のスピンアウト CEOのJagdeep Singhは、Infineraの元コファウンダー ステルスモードであり、ほとんど情報を開示していない。 通常、充放電に使われるのはイオンであるが、本会社の方式では電子（正 孔）が充放電に用いられるとのこと。 スタンフォード大学や当社では、この方式を”All Electron Battery’と か、"electron hole redox（Reduction / Oxidation酸化還元反応）"と呼 んでいる。 電子はイオンよりも軽い為移動速度が速いため、バッテリーの軽量化が可 能でエネルギー密度を数倍高くする事が理論的には可能と思われる また長寿命化が可能と言う 理論的には、化石燃料と同等のエネルギー密度を達成可能とのこと SolidEnergy 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品 SolidEnergy204,205 リチウム金属バッテリー Solid Polymer Ionic Liquid (SPIL)と呼んでいる。 バッテリー用の材料の販売をビジネスモデルとしている。 まずはポータブルマーケットを攻めるとの事。 車載は時間がかかるのでその先。 2012 不明 200 West Street, Waltham, MA 02451 http://solidenergysystems.com/home.html １回目の資金調達で$4.5 millionを調達。 A123ベンチャーテクノロジーズ社と協力してスケールアップしようとしてい る。 MIT SolidEnergy社は、安全で、高密度で、広い温度範囲で使える二次電池用の材質 の開発を行っている。 Solid Polymer Ionic Liquid (SPIL)と呼ばれるリチウム金属電池。 204 http://www.technologyreview.com/news/521806/a-trick-for-making-batteries-safer-could-also-make-evsaffordable/ 205 http://www.businesswire.com/news/home/20131021006124/en/A123-Venture-Technologies-Agrees-CollaborationMIT-Start-up Stepwest Corp Feb. 2014 160 エネルギー保存システム 技術的特徴 10.18. Sila Nanotechnologies 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL VC出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品の技術的特徴 206 金属リチウムを薄いポリマーで覆う。こ れは他社もやろうとしている固体電極に 近い。 違いはこの皮膜が非常に薄い事。そのた め、リチウムイオンの動きが妨げられな い。また、バッテリーを高温にする必要 が無い。この薄いポリマーは、通常の電 極材料をコーティングするものと同じ物 が使える。 金属リチウムを負極に使う事は新しい事 ではないが、過去の例ではリチウム金属 から金属が溶け出して樹状突起（デンド 図 10-16 試作品のバッテリ ライト）を作り、それが正極に達して短 ーセル（左）と、使われた金 絡し、発火事故等を起こしていた。 属リチウム負極電極（出典： これを、薄いポリマーで防ごうとしてい MIT テクノロジーレビュー） る。 また、電解質を引火性の液体では無く、「イオン液体」を使うことで、発 火事故を防ぐとの事。 Sila Nanotechnologies: (Formerly Streamline Nanotechnologies, Inc) 206 容量を２倍に出来るLiB 車載バッテリーや携帯機器向けバッテリー 2011年 不明 541 10TH Street NW, Atlanta, GA http://www.silanano.com Sutter Hill Venture他 $1.73 million grant from the DOE. バレイ・アントレプレナーズ（Valley entrepreneurs） ジョージア工科大学（Georgia Institute of Technology） 当会社のウエブサイト等には詳細な情報は無いが、ARPA-Eの補助金決定の 文章より、下記が類推される。 電気自動車向けのLiB向けにスケーラブルで高容量なナノ構造の素材 の開発を行っている この技術が成功すれば、現在の半分の価格で電気自動車向けの電池 が製造出来る 他の素材との違いは、バッテリーの充放電時の容積の変化が最小に なる事で、これは次世代のバッテリーのアノードに必要な性能であ る。 また、当社の技術を用いるとLiBの寿命、構造的安定性、安全性、充 電効率等が大幅に改善する可能性がある。 既存の製造工程への適合性の良さ、環境に優しい素材は、既存のLiB への適用を容易にするであろう。 ジョージア工科大学の下記の資料によると、ナノ素材の特許が当社にライ センスされている http://arpa-e.energy.gov/?q=arpa-e-projects/double-energy-density-lithium-ion-batteries Stepwest Corp Feb. 2014 161 エネルギー保存システム 10.19. Sion Power 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 従業員 所在地 URL 出資 パートナー 補助金 どこのスピンアウトか 製品技術的特徴 10.20. Sion Power(旧社名：Moltech Corporation)207,208 リチウム硫黄電池 電気自動車および軍事市場を主体 1994年 約60名（2012年7月現在） 2900 E Elvira Road, Tucson, AZ 85756 http://www.sionpower.com 2011年12月に完了した投資ラウンドで50Mドルを調達。 ドイツに本拠を置く大手化学企業BASF社が投資を行った。 Sion Power社とBASF社は、2009年に技術開発に関する合意契約を締結したことを きっかけに協業関係がスタート。 2010年には、最低300マイルの充電距離に対応可能なリチウム硫黄電池の開発活動 に対し、ARPA-Eより500万ドルの助成金を獲得。 また、米エネルギー省からは、リチウム硫黄電池を対象とした新しい 電解質の研究活動（3年間）に対して80万ドルを受けた。 Brookhaven National Laboratoriesから技術ライセンスを受けた Brookhaven National Laboratoryから分社化し、Moltechという社名でスタ ート 同社によると、リチウム硫黄物質を利用した同社システムは、他のいかなる 電池システムに比べ、理論上、重量と容積のいずれにおいてもエネルギー密 度が最も高いとされている。 過去においては、QinetiQ と共にUAV（無人機）を対象とした動力供給の技 術開発に携わっていた。 近年においては、先に述べた投資先であるBASFと共同で電池素材の開発研究 に取り組んでいる。 Seeo 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 所在地 URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 製品の技術的特徴 Seeo 209210 全固体リチウムイオン電池 utility-scale storage 2007年 Hayward, CA. http://seeo.com/about-us Khosla Ventures, GSR Ventures, Google.org Presidio Ventures (Sumitomo Corporation) $6.2M from the Department of Energy $4.9M award from the Department of Energy’s Vehicle Technologies program. California Energy Commission. Lawrence Berkeley National Laboratoryの中核特許をライセンス ドライポリマー電解質(dry polymer electrolyte) DryLyte™ バッテリーは固体電解質なので燃えない、高温下でも劣化しな い、 207 http://gigaom.com/2012/01/12/basf-pumps-50m-into-battery-maker-sion-power/ http://www.kanaboconsulting.com/blog/2012/10/15/sion-power 209 http://cso.lbl.gov/web/clients/techdev/success_stories/articles/seeo.html 210 http://www4.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/resources/meritreview/sites/default/files/es129_eitouni_2013_p.pdf 208 Stepwest Corp Feb. 2014 162 エネルギー保存システム 長寿命（車載に使った場合は20万マイル） 250 Wh/kgという高いエネルギー密度を持つ 年間4MWhのパイロット製造ラインを構築した 図 10-18 左：通常のリチウムイオン電池、右：Seeo 社の全 固体電池（出典：同社ホームページ） 図 10-17 SunEdison と共同で 行った実証実験用の Energy Storage System (ESS)の写真 (10kWh)（出典：同社ホームペー ジ） 10.21. Sakti3 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 所在地 URL 出資や補助金の有無 どこのスピンアウトか 製品や技術的特徴 211 212 Sakti3 211212 battery cells with a solid-state electrolyte 自動車向け 2007 Ann Arbor, Michigan http://sakti3.com $16M 2010年 (Khosla Ventures, General Motors, 伊藤忠) research led by CEO Ann Marie Sastry, who heads up the University of Michigan’s energy systems engineering program 全固体バッテリーの素材および製造方法の開発を継続 もともとの技術はファウンダーのSastry氏がミシガン大学で開発した物で ある GMが協力している模様 真空技術で薄いホイルに電極等を蒸着させる技術 (vacuum deposition technology)と思われる（ポテトチップの袋を製造するような装置） 廉価で量産化が可能な技術や装置や材質を開発中 ステルスモードで開発を続けているため、ほとんど情報が無い http://www2.technologyreview.com/article/423685/solid-state-batteries/ http://annarborchronicle.com/2010/01/22/no-secret-sakti3-wants-its-batteries-in-cars/ Stepwest Corp Feb. 2014 163 エネルギー保存システム 10.22. Solid Power, LLC 会社名 技術カテゴリー 用途 所在地 URL 補助金 どこのスピンアウトか 技術的特徴 10.23. 会社名 技術カテゴリー 用途 設立 所在地 213 214 215 216 217 Solid Power, LLC213 全固体二次電池214 車載他215 Louisville, CO http://www.solidpowerbattery.com/index.html DARPAのDefense Science's Office (DSO) ARPA-E (RANGE) $3.5M(2013/8) Small Business Innovation Research grant from the National Science Foundation.(2013/1) コロラド大学Boulder校 ミシガン州立大学のThe Sakamoto Groupが開発したセラミック酸化固体電解質 を利用 軽量で安全で豊富に取れる資源を利用しているた め低コスト化が可能 エネルギー密度(Wh/kg)が既存のLiBに比べて約３ 倍と高い 主な特徴はそのカソードにある。導電性の添加物 (additive)と少量の電解質を用いる事により、通 常のLiBの３倍の容量のカソードを実現した。 このカソードは、リチウム金属に比べて化学的に 安定であり、他の高伝導度の電極に比べても同等 の導電性を誇る (0.01 - 0.001 S/cm)。 これらにより高出力が可能なバッテリーセルが実 現可能。 また、個体電池セルで用いる素材は、環境的に安 定しており、不揮発で引火しない。 図 10-19 Solid このカソードは極めて低コスト化が可能で、豊富 Power 社の全固体電 に取れる素材を用いている。 池。負極がリチウム これらにより、高エネルギーで安全で低コストな 金属、正極と電解質 全固体電池が実現可能。 が固体（出典：同社 ホームページ） 24M Technologies 24M Technologies216,217 半固体フロー電池 電気自動車、グリッド 2010年 One Kendall Square, Building 1400 East, 3rd floor, Cambridge, MA 02139 http://arpa-e.energy.gov/sites/default/files/documents/files/CSESS%20Lee.pdf http://www.arpa-e.energy.gov/sites/default/files/documents/files/RANGE_ProjectSection_Release_082013_0.pdf http://www.colorado.edu/news/releases/2013/09/18/solid-state-battery-developed-cu-boulder-could-doublerange-electric-cars http://www.smartgridnews.com/artman/publish/Technologies_Storage/More-details-emerge-on-24M-Technologies3793.html#.UsTiBhaIDPc http://www.prnewswire.com/news-releases/24m-technologies-launches-based-on-technology-from-a123-systemsand-mit-secures-10-million-in-series-a-financing-100757159.html Stepwest Corp Feb. 2014 164 エネルギー保存システム URL 出資 補助金 どこのスピンアウトか 技術的特徴 Stepwest Corp http://24-m.com $16M以上のVC出資（Charles River Ventures、North Bridge Venture Partners ） ARPA-E（250 万米ドル）、DARPA MIT, A123、Rutgers University MITのマテリアルズ・サイエンス教授Yet-Ming Chiang 氏と Craig Carter氏,お よび起業家のThroop Wilder 氏によって設立された。 水溶性化学物資の約10倍のエネルギーを電極に貯蔵することが可能な、世界 初の「半固体（semi-solid）フロー電池」を開発中 同社の目標とするエネルギー密度は500Wh/kg、これを電気自動車向けでは250 米ドル/kWh、グリッドアプリケーション向けでは100米ドル/kWh のコストで 実現するとしている。 Semi-Solid Flow Cellは、負極（アノード）と正極（カソード)を別々の電解 液の容器に分け、両者を循環させることで電位差を取り出せるようになって いる。 バッテリーには貯蔵と供給の2つの機能があるが,これまでのバッテリーでは それを1つの容器のなかで行ってきた。一方、この新システムでは、2つの機 能を分離したことにより,構造的サポートやコネクタを含む電池全体のシステ ムを,コスト,サイズともに,現在使用されている一般の電池システムの半分に することが可能であるという。 この電池は,「Cambridge Crude(ケンブリッジの原油)」と呼ばれる粘性のあ る電解液がベースになっており、リチウムイオン電池よりもエネルギー密度 を高くてできる。 Semi-Solid Flow Cellは、タンクに貯蔵できる合成燃料であり、ガソリンタ ンクの走行可能距離に匹敵するうえ、ガソリンスタンドで既存のインフラ設 備を使って給油することも可能になるという。 電池の内部で消耗する成分を液体燃料に取り込むことで、内燃機関に匹敵す る信頼性も確保できるという。 LiCoO2（コバルト酸リチウム）などのリチウムイオン電池で使われている固 体活物質を液体中に分散させた懸濁液と、アルキルカーボネート電解液の中 で懸濁させたナノスケールの導電性カーボンを組み合わせて使う。 液体中でナノスケールのカーボン粒子が自然発生的に導電経路を作り出し、 電子はその経路を通って直接、集電体の電極に到達できるという仕組み 解決しなければいけない問題点 機械式ポンプやセンサー、コントロールユニットなどの複雑なシステ ムが不可欠になる エネルギー密度に関しても、一般にフロー電池は高性能リチウムイオ ン の 電 池 パ ッ ク よ り も 低 い レ ベ ル に と ど ま る 。 今 の と こ ろ 24M Technologiesの最新の試作品もこの例外ではない。 Cambridge Crudeの幅広い導入を実現するためには、カーボンナノ粒子 によって自然発生的に形成される導電経路の導電率を現在の100倍に高 める必要がある Feb. 2014 165 エネルギー保存システム 11. 添付資料-C : ARPA-E 蓄電関連補助金 DoE は、各種のエネルギー関連の研究開発に対して資金援助を行っている。これは、DoE 傘下の ARPA（エネルギー高等研究計画局）が取りまとめている。2012 年以降の蓄電絡みの助成金は計 ３回行われているが、下記にそれらの内容を記す。 11.1. Advanced Management and Protection of Energy-storage Devices (AMPED) 2012 ARPA-E(DOE エネルギー高等研究計画局)は、革新的（トランスフォーメーショナル）なエネルギー貯蔵に関 する研究プロジェクトに4300万ドルの資金提供を行う。218 ２０１２年４月１１日（水） エネルギー貯蔵装置の先進管理と保護 (AMPED: Advanced Management and Protection of Energystorage Devices) AMPED は、エネルギー貯蔵システムの安全性、パフォーマンス、および寿命を劇的に改善するた めの高度なセンサーや制御技術に関する研究を資金的に援助する。 これらのイノベーションにより、次世代電気自動車、ハイブリッド自動車が登場し、アメリカの 電気グリッドの効率性、信頼性が高められる。さらに、ARPA-Eと国防省次官室（研究、エンジニ アリング担当）の共同提携により開発が行われているハイブリッド電力貯蔵モジュールの性能を 高めることができる。 本パートナーシップは、エネルギー省と国防省との間で締結された覚書に従い、国防省の戦闘能 力の向上を助ける物でもある。 AMPED関連では、約3000万ドルが提供される。 電力貯蔵関連のSBIR/STTR 小企業革新研究(SBIR)と小企業技術移転(STTR)プログラムは、国内の小企業コミュニティにおけ る技術革新の促進に焦点をあてた、米政府の競争的資金援助プログラムである。 ARPA-Eは、エネルギー貯蔵技術の開発において小企業が大きな役割を担っていると認識しており、 小企業の志望者には、各フェーズのプロジェクトを組み合わせ、電力や輸送関連貯蔵技術を効果 的に市場へ送り出すよう促している。 ARPA-Eによるこのアプローチは、５つの研究領域に焦点をあてている。 うち２つは、定置型の電力貯蔵分野であり、(1)高速充電の要求が高い電気自動車の地域レベルでの 普及を助ける配電システム用の低コスト、グリッド規模貯蔵、(2)消費者側のメーターアプリケーシ ョン用の低コスト貯蔵、である。 残りの３つの研究領域は、輸送用エネルギー貯蔵に関するものであり、(1)新しい電池の化学的性質、 (2)新しい電池構造、(3)電気貯蔵システムの革新的デザイン、である。およそ1300万ドルが本研究領 域用にあてられている。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Palo Alto Research Center $4,018,960 Palo Alto, CA（カリフォルニア州パロアルト） 光学的読出しセンサーを用いたスマートな組込み型ネットワーク（SENSOR） Palo Alto Research Centerは、充放電サイクル中の電池の観測・計測を行うた めバッテリーパックへ挿入する光ファイバーセンサーの開発を行う。当該小型 218 http://arpa-e.energy.gov/?q=arpa-e-news-item/arpa-e-issues-43-million-transformationalenergy-storage-research-projects Stepwest Corp Feb. 2014 166 エネルギー保存システム 光ファイバーセンサーは、バッテリー使用時の状態を測定し、劣化や故障を回 避する。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Ford Motor Company $3,128,000 Dearborn, MI（ミシガン州ディアボーン） 自動車およびグリッド貯蔵電池用の高精度寿命試験 Ford Motor CompanyとArbin Instrumentsは、バッテリー寿命の予測・認証を改 善するために、高精度電池試験装置の開発を行う。本装置により非常に正確な サンプル測定が可能となり、自動車用、定置用新電池の研究、開発、性能試験 に要する時間、費用の削減が期待される。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED GE Global Research $3,128,285 Niskayuna, NY（ニューヨーク州ニスカヤヌ） 超薄型の歪み、温度センサーシステム GE Global Researchは、電池パック内の各セルの温度や表面圧力を即時に二次 元マッピングできる薄膜センサーの開発を行う。この新しいセンサーは、現在 の温度センサーより解像度が高く、内部のバッテリー測定能力向上や、電気自 動車のコスト低減に寄与する。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Oak Ridge National Laboratory $1,000,000 Oak Ridge, TN（テネシー州オークリッジ） リチウムイオン電池の温度規制 Oak Ridge National Laboratoryは、使用中に発生する破壊的ホットスポットを より効率的に規制するために、革新的電池設計の開発を行っている。電池内活 性物質の放熱を改善することにより、バッテリー寿命の改善、熱管理システム に必要な費用の削減が期待される。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Utah State University $3,070,051 Logan, UT（ユタ州ローガン） 大型電池パックのセルレベルでのパワーマネジメント Utah State Universityは、電池パック内の各セルの性能を最大限発揮させる高 度なバッテリー管理システムを作るために、電子機器と制御ソフトの開発を行 う。このセルレベルでの電池マネジメントシステムは、電気自動車の電池パッ ク価格を２５％以上低減する可能性がある。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Battelle Memorial Institute $600,054 Columbus, OH（オハイオ州コロンバス） バッテリー使用中の故障検知 Battelleは、リチウムイオン電池の内部環境を瞬時に観測する光センサーの開 発を行う。この内部センサーは、現在のセンサー技術では発見できない電池内 部の故障、その他危険な状態について、そのスケールや場所を検知する。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 AMPED Pennsylvania State University $1,000,000 University Park, PA（ペンシルバニア州ユニバーシティパーク） Stepwest Corp Feb. 2014 167 エネルギー保存システム プロジェクトタイトル 内容 再構成可能な電池パックのための状態マネジメントシステム Pennsylvania State Universityは、セル間の電気の流れを即時に変更すること ができる、電気自動車用電池パックの革新的デザインを考案している。現在の 電気自動車用電池パックと比べて、この再構成可能な電池の構造は、電池の安 全性やパフォーマンスを向上させる。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル AMPED Washington University in St. Louis $2,000,000 St. Louis, MO（ミズーリ州セントルイス） 即時予測可能モデリングや、順応性電池マネジメント技術に基づく電池の最適 な運用、マネジメント Washington University in St.Louisは、電池の利用を最適化するため、革新的 なモ デリングソフ トウェアを使 った、 電池予 測管理システ ム（ predictive battery management system）の開発を行う。このシステムは、電池の最適な重 放電を即時に予測し、電池のパフォーマンス向上や安全性、充電率、利用可能 容量の改善につながる。 内容 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Det Norske Veritas $2,030,962 Dublin, OH（オハイオ州ダブリン） エネルギー貯蔵用の高性能センサー、モデル確認電池 Det Norske Veritasは、電池がストレス状態で作動し、早期故障の危険がある ことを示す警告信号を早い段階で出すため、ガスモニタリングシステムの開発 を行う。電池は劣化に伴い、寿命をmap overするガスを測定可能量排出する。 この検地方法では、パフォーマンスを最適化し、バッテリーの他用途への再利 用を助ける。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Southwest Research Institute $712,500 San Antonio, TX（テキサス州サンアントニオ） リチウムイオン電池の歪み予測技術 Southwest Research Instituteは、電池容量、状態を分析する新手法として、 充放電中リチウムイオン電池の物理的伸縮の追跡可能性を調査する。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Robert Bosch LLC $3,100,000 Palo Alto, CA（カリフォルニア州パロアルト） 高度な電池マネジメントシステム Boschは、電気自動車用電池のエネルギー利用・信頼性・充電速度を改善するた め、バッテリー監視・制御ソフトの開発を行う。Boschの高度な電池マネジメン トシステムは、バッテリー内部環境の即時モデリングの大躍進につながる。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED Eaton Corporation $2,481,588 Southfield, MI（ミシガン州サウスフィールド） ハイブリッド自動車用の予測的電池マネジメント Eaton Corporationは、事業規模でのハイブリッド電気自動車の運用を最適化す るために、電力制御システムの開発を行っている。このEaton の革新的アプロ ーチは、バッテリー寿命や自動車のパフォーマンスを損なうことなしに、大型 ハイブリッド電気自動車を運用するために必要な電池サイズの縮小を可能に し、最も費用効果が高い商業用車を実現する。 Stepwest Corp Feb. 2014 168 エネルギー保存システム プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED *Gayle Technologies, Inc. $729,600 Nashville, TN（テネシー州ナシュビル） 超音波電池モニタリング Gayle Technologies, Inc.は、自動車用電池パック内の欠陥を検知するため、 超 音 波 技 術 を 用 い た 診 断 的 検 査 シ ス テ ム の 開 発 を 行 っ て い る 。 Gayle Technologies, Inc.の革新的アプローチは、バッテリーの完全な分解、破壊を 必要とする現在の手法とは対照的で、分解を一切必要とせずに電池の内部構造 検査を可能にする。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 AMPED *Lawrence Livermore National Laboratory $2,000,000 Livermore, CA（カリフォルニア州リバモア） 分配されたワイヤレスセンターを用いた電池マネジメントシステム Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)は、充電されたグリッドおよ び車両のあらゆる環境において、信頼して運用できる大型リチウムイオン電池 パック用のワイヤレスセンターネットワークの開発を行っている。このネット ワークは、劇的にシステムコストを削減し、運用パフォーマンスを改善、また パック故障を即時検知し、より安価で安全な大型電池を可能にする。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR ITN Energy Systems, Inc. $ 1,725,000 (SBIR) Littleton, CO（コロラド州リトルトン） 高度なバナジウムレドックスフロー電池 ITNは、グリッド規模のエネルギー貯蔵用で現在最新式のバナジウムフロー電池 を大幅に改善する。ユニークな安価の薄膜と、新フロー電池の化学的性質を統 合し、商業又は住宅用の太陽光・風力発電など、再生可能エネルギー用に効率 的でリーズナブルなエネルギー貯蔵システムを開発する。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR Energy Storage Systems, Inc. $ 1,725,000 (SBIR) Portland, OR（オレゴン州ポートランド） 鉄のフロー電池 Energy Storage Systems, Inc.は、安価な鉄から成る電解質材料と先進的な電 池設計を活用して、電力貯蔵用フロー電池の組み立てを行う。このフロー電池 は、貯蔵コストとして、グリッド中への再生エネルギー技術の配備を可能にす る$100/kWh以下をターゲットとする。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR TVN Systems, Inc. $ 1,724,000 (STTR) Lawrence, KS（カンザス州ローレンス） 水素―臭素の電気エネルギー貯蔵システム TVN Systems, Inc.、University of Kansas、および Vanderbilt University は、安価で耐久性のある薄膜と独特の触媒を使った高度フロー電池の開発を行 う。成功すれば、グリッド中への再生可能エネルギー技術の配備が可能とな る。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル SBIR/STTR Materials & Systems Research, Inc. $ 1,725,000 (SBIR) Salt Lake City, UT（ユタ州ソルトレーク•シティ） 高度なナトリウム電池 Stepwest Corp Feb. 2014 169 エネルギー保存システム 内容 MSRIは、既存の薄膜よりも強靭でかつ安価な先進ナトリウム電池用薄膜の設計 を行う。この製造プロセスは、グリッド規模電池用に強靭な薄膜に仕上げ、サ イクル寿命や安全性がワンステップで改善される。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR Pellion Technologies, Inc. $ 2,500,000 (SBIR) Cambridge, MA（マサチューセッツ州ケンブリッジ） 汎用金属を用いた充電式多価電池 Pellionは、走行距離を現在のリチオムイオン電池の3倍にすることが可能な、 電気自動車用充電式電池の開発を行う。この電池は、国内で豊富にとれる安価 な金属から製造することができる。この技術により、一回の充電による走行距 離を飛躍的に延ばすことが可能となる。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR Sila Nanotechnologies, Inc. $ 1,725,000 (SBIR) Atlanta, GA（ジョージア州アトランタ） 輸送用リチウムイオン電池のエネルギー密度倍増 Silaは、電気自動車用に、現在のリチウムイオン電池の2倍の容量を持つ電池の 開発を行う。同技術は、低価のナノ複合材料を使用しており、エネルギー貯蔵 コストを半分又はそれ以下に抑えることができる。このコスト削減により、電 気自動車の普及が加速し、現在の電気自動車の走行距離に対する不安を低減さ せることができる。 プログラム名 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 SBIR/STTR Xilectric, Inc. $ 1,725,000 (SBIR) Auburndale, MA（マサチューセッツ州オバーンデール） エジソン電池の再考案 Xielectricは、トーマス・エジソンの電池化学を今日の電気自動車用に改造す る。この電池は、現在のガス自動車のコストを下回り、国内調達が可能なアル ミニウムとマグネシウムをベースにした革新的技術と、パフォーマンス向上及 び低価格を可能にする単純な組み立て技術を用いている。 11.2. ARPA-E FUNDS REVOLUTIONARY STORAGE APPROACHES (RANGE) 2013 ARPA-EのRANGE（Robust Affordable Next Generation Energy Storage Systems, 頑丈で安価な次世 代エネルギー貯蔵システム）プログラムは、個々の電池セルのエネルギー密度増加に取り組むという よりは、電気自動車用電池のシステム全体を構想しなおすことにより、電気自動車の走行距離をのば し、車体コストを削減することを目的としている。219 いくつかのプロジェクトは、強靭な電池の化学的性質と構造を開発することに焦点をあて、走行距離 と電池強度の改善を目指す。 例えば、コロラド州ルイスビルのSolid Powerは、約350万ドル獲得し、保護パッケージングの必要性 が低い全固体リチウム電池の開発を行い、コスト削減と車体軽量化を実現、走行距離の改善が可能と なる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 219 Aqueous University of Houston $760,000 http://arpa-e.energy.gov/?q=arpa-e-news-item/arpa-e-funds-revolutionary-storage-approaches Stepwest Corp Feb. 2014 170 エネルギー保存システム 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Houston, TX（テキサス州ヒューストン） 高度な水性リチウムイオン電池 University of Houston (UH)は、サスティナブルで低コスト、高エネルギーな 有機材料を活用した新しい水性リチウムイオンの化学的性質を利用した電池の 開発を行う。この新しい電池は、今日の標準パフォーマンスをクリアしなが ら、電池故障による潜在的影響を最小限にし、それにより自動車の設計がより フレキシブルとなる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 Aqueous EnZinc Inc. $448,680 Emeryville, CA（カリフォルニア州エメリービル） Washington, DC（ワシントンDC） 樹状突起（デンドライト）のない亜鉛空気電池 EnZinc,は、U.S. Naval Research Laboratoryと連携し、亜鉛空気技術を用いた 低コスト電池の開発を行う。現在の亜鉛空気電池は、低出力でサイクル寿命が 限られている。EnZinc.の多孔亜鉛コンポーネントは、電池故障を防ぎ、高出力 充放電を可能にする。EnZinc.の亜鉛空気技術により、電気自動車のコストを半 分以下まで下げることが可能になる。 プロジェクトタイトル 内容 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Aqueous Princeton University $962,389 Princeton, NJ（ニュージャージー州プリンストン） EV 用の長寿命充電式アルカリ電池 Princeton Universityは、電気自動車用に、ユニークなアルカリ電池の化学的 性質を開発する。当新技術は、サイクル寿命を延長するように構造組み換えさ れた豊富で安価な材料を 使用する。成功すると、遮蔽とパッケージングを必要 最小限に抑える低コストの 電気自動車 用電池が実現する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Aqueous University of California Los Angeles $500,000 Los Angeles, CA（カリフォルニア州ロサンゼルス） 超寿命の酸塩基電池 University of California, Los Angeles (UCLA)は、現在の鉛蓄電池がかかえ るサイクル寿命の問題を解決する、高出力、長寿命の新しい酸塩基電池の開発 を行う。本電池は、長距離電気自動車用電池と組み合わせることにより、瞬時 の反応や加速に必要なパワーを提供できるハイブリッドシステムを作り出す。 さらに、本電池は、効率改善を目的として、自動車が停止した際にシャットオ フするスタート／ストップ技術に幅広く利用できる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル Aqueous Jet Propulsion Laboratory $2,834,335 Pasadena, CA（カリフォルニア州パサデナ） Metal Hydride-Air Battery メタルハイドライド-空気電池 Jet Propulsion Laboratory (JPL) は、水をベースとした新型のメタルハイド ライド空気電池の開発を行う。電気自動車用に現在使用されているリチウムイ オン電池よりも質量が低く体積が小さいため、コスト、パフォーマンスの両面 で大きな利点がある。本電池は、パッケージやデザインがよりシンプルであ り、安価で、電気自動車への組み入れが容易である。 内容 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 Stepwest Corp Aqueous University of Maryland $405,000 Feb. 2014 171 エネルギー保存システム 所在地 プロジェクトタイトル 内容 College Park, MD（メリーランド州カレッジパーク） 多電子水性電池 University of Maryland (UMD)は、水性マグネシウム、水素の化学的性質を用 いて、電気自動車用電池のエネルギー密度を改善し、コストを削減する。現在 の水性電池は、リチウムイオン電池より体積も重量も大きく、電気自動車用に は適さないが、本電池は、リチウムイオン電池の標準パフォーマンスを達成し ながら、よりスマートで軽量、安価となる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Aqueous BASF $4,000,000 Rochester Hills, MI（ミシガン州ロチェスター州） 電気自動車電池用のレアアースを含まない NiMH 合金 BASFは、高出力のNiMH 電池用に、安価な新金属を使って水素含有合金の開発を 行う。従来の水性NiMH電池は、レアアースメタルを用い、また容量に限界があ ったため走行距離が制限されていた。本コンポーネントは、シンプルなデザイ ン、低容量、Long Service lifeといったNiMHの特徴を残しながら、安価でより 容量の大きい電池を提供する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Aqueous General Electric $899,958 Niskayuna, NY（ニューヨーク州ニスカヤヌ） 電気自動車用の水系フロー電池 General Electric (GE)は、水系フロー電池用に、革新的な高出力の化学的性質 を開発する。現在のフロー電池は、一般にエネルギー密度が低く、電力貯蔵用 にしか用いられない。成功すれば、本技術はフロー電池の電気自動車用への利 用を可能にし、走行距離、コスト、信頼性を改善することになる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional Cloteam LLC $3,500,000 Framingham, MA（マサチューセッツ州フラミンガム） 低コストの電気自動車用電池の構造 Cloteam LLCは、電池の様々な化学的性質を駆使して、複数の電池を接合・パッ ケージングする革新的システムの開発を行う。現在の電池パックデザインに比 べ、パックをフレキシブルに配置することができ、衝突時のエネルギーを吸 収、コントロールすることができる。加工関連コストを削減しながら、現在の リチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度の電池を提供することができ る。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional Stanford University $2,709,427 Stanford, CA（カリフォルニア州スタンフォード） 多機能なバッテリー・シャーシシステム Stanford Universityは、衝突時にバッテリーを保護する自動車シャーシの構造 の一部となるような電池の開発を行う。現在の電池は、自動車の構造から独立 しており、より重い保護コンポーネントを必要とする。構造的コンポーネント は、車体を軽量化し、走行距離を改善する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional University of California, San Diego $3,498,067 San Diego, CA（カリフォルニア州サンディエゴ） 電気自動車用の多機能電池システム University of California, San Diego (UCSD)は、車両フレームへの組込み可 Stepwest Corp Feb. 2014 172 エネルギー保存システム 能な新型電池の開発を行う。車体から切り離されている現行の電気自動車用電 池とは異なり、本電池と再設計された車両フレームは、自動車の支持構造体と なる。この統合により、コスト削減と車体の軽量化、及び走行距離の改善さが 実現する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional Arizona State University $2,000,000 Tempe, AZ（アリゾナ州テンピ） 電気自動車用の多機能セル Arizona State University (ASU) は、車両の構造要素として組込み可能な、革 新的で成形し易い電池の開発を行う。 しっかりしたパッケージや保護を必要とする今日の電池とは異なり、ASUが開発 する不揮発性の性質により、車体全体に広く電池の分配が可能となり、より耐 衝突性に優れる。エネルギーの貯蔵やストラクチャの組み立てを可能にする一 方で、従来の保護やコントロールを最小限にし、車体の軽量化、安全性の改善 が実現する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional Penn State University $543,495 University Park, PA（ペンシルベニア州ユニバーシティパーク） 構造的電池パワーパネル Pennsylvania State University (PSU)は、電気自動車の構造的コンポーネント として使用可能なload-bearingのリチウムイオン電池を組み立てるための新し い製造プロセスを使用する。現行の電池は、車両の構造からは独立しており、 重量な保護コンポーネントを必要とする。PSUの設計は、電池を床パネルなどの 構造的コンポーネントに組み込むものであり、車体重量を低減し、走行距離の 延長を可能にする。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Multifunctional Purdue University $500,000 West Lafayette, IN（インディアナ州ウェストラファイエット） 耐衝撃性の電気自動車用電池 Purdue Universityは、衝突時の耐衝撃性に優れた電気自動車用リチウムイオン 電池パックの開発を行う。現在の電気自動車用電池パックとは異なり、Purdue Universityのデザインでは、パックの統合された状態を保守しながら、衝突時 の衝撃を吸収し、電池故障を防ぐ。この耐衝撃性電池により、車体の重さが軽 減される。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Robust Non-Aqueous Quallion $511,323 Sylmar, CA（カリフォルニア州シルマー） 安全に関する要素が組み込まれた軽量電池 Quallionは、セーフティ要素が統合されたリチウムイオン技術を開発し、これ により、電池全体が損傷する前に局所のオーバーヒートを 防ぐことができる。 電気自動車用電池は、現在のところ、オーバーチャージ、オーバーヒート、及 びセルの損傷を防ぐために、熱的及び機械的な安全措置が必要であるが、 Quallionの電池は、新しいコンポーネントを含むことにより、損傷箇所を切り 離し、追加のパッケージング、シールディングの必要性を低減することが可能 となる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 Robust Non-Aqueous Illinois Institute of Technology $3,411,992 Chicago, IL（イリノイ州シカゴ） Stepwest Corp Feb. 2014 173 エネルギー保存システム プロジェクトタイトル 内容 電気自動車用のナノエレクトロ燃料・フロー電池 The Illinois Institute of Technology (IIT)は、高エネルギー密度の液体を 電極とする、電気自動車用フロー電池の開発を行う。フロー電池は、バッテリ ー容器内ではなく、外付けタンクに化学エネルギーを貯蔵しており、一般にエ ネルギー密度が低く、そのため輸送用には用いられない。IITの電池は、大量の ナノ粒子を含んだ液体電極を用いており、電池内の安定性や低い流れ抵抗を確 保しながらエネルギー密度を高める。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Robust Non-Aqueous National Renewable Energy Laboratory $999,088 Golden, CO（コロラド州ゴールデン） フロー電池用の再生可能な有機物 The National Renewable Energy Laboratory (NREL)は、有機のエネルギー貯蔵 用材料を用いた新しい低コストフロー電池の開発を行う。フロー電池は、電池 容器内ではなく、外付けタンクに化学エネルギーを貯蔵しており、一般にエネ ルギー密度が低く、そのため輸送用には用いられない。NRELの電気自動車用電 池は、新規に開発された再生可能な有機化合物を使用しており、エネルギー密 度を高めるとともに、コスト削減を可能にする。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Robust Non-Aqueous Oak Ridge National Laboratory $450,000 Oak Ridge, TN（テネシー州オークリッジ） 耐衝撃性電解質 Oak Ridge National Laboratory (ORNL)は、従来の安全コンポーネントの代わ りとなり、外力により液体から固体に変化する物質を用いた電池技術を創造す る。現在の電池は瞬時エネルギー放出を管理する安全に関する特徴を備えてい るが、その結果重量が増加する。ORNLの新しい耐衝撃性の材料は、安全性を維 持しながら、シールディングの量を減らし、電池全体の量の削減につながる。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Solid-State Ceramatec $2,966,691 Salt Lake City, UT（ユタ州ソルトレークシティ） 高度な平面リチウム硫黄電池 Ceramatecは、自己放電を最小限にし、機械的統合を提供するとともに、バッテ リー寿命を延ばすために、リチウム硫黄電池用の非多孔質超電導セラミック膜 の開発を行う。現在の多孔セパレーターは、サイクル寿命に悪影響をあたえ、 誤作動への対応性が低い液体を含んでいる。Ceramatecは、本システムのために 開発された高度な電解質を含む試作のリチウム硫黄電池において、革新的で、 低コストの非多孔膜を確立する。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル Solid-State Solid Power, LLC $3,459,250 Louisville, CO（コロラド州ルイビル） All Solid-State Lithium-Ion Battery 全固体型リチウムイオン電池 Solid Powerは、電気自動車用に、従来のリチウムイオンより安全でエネルギー 密度の高い新型の低コスト全固体型電池の開発を行う。この電池は、不燃性か つ不揮発性の材料を使っており、衝突時や温度上昇時の安定性がより良い。さ らに、低コストで豊富な材料を用いることにより、材料コストを削減すること が可能となる。 内容 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 Stepwest Corp Solid-State Bettergy $387,572 Feb. 2014 174 エネルギー保存システム 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Peekskill, NY（ニューヨーク州ピークスキル） リチウムイオン固体電池を越えるもの Bettergyは、最新の電気自動車用に適したエネルギー密度を得るために、固体 かつ不燃性材料の新しいコンビネーションによる安価な電池の開発を行う。現 在の電気自動車用電池は、高価な材料とセーフティ構造を必要とするが、それ と比較し、本電池は、低コストエネルギー貯蔵材料と不燃コンポーネントを組 み合わせ、同等のエネルギー密度を保持しながら、強度を高めることができ る。 技術的アプローチ 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Solid-State University of Maryland $574,275 College Park, MD（メリーランド州カレッジパーク） セラミック電解質を用いた固体リチウムイオン電池 University of Maryland (UMD)は、高出力の固体リチウムイオン電池を可能に するセラミック材料と加工方法の開発を行う。多くのリチウムイオン電池が液 状なのに対し、固体電池は誤作動への対応性に優れ、重量な保護コンポーネン トの必要性が小さい。UMD は、多層セラミック加工方法を活用し、軽量で長寿 命の固体電池パックを製造する。 11.3. ARPA-E Second Open Call for Innovative Energy Technology Solutions 2012 ARPA-Eは、６６の革新的なエネルギー技術のプロジェクトに合計で$130Mの資金援助を行う。220 ARPA-E(DOE エネルギー高等研究計画局)選定プロジェクト-技術概要リスト 公表日: 2012 年 11 月 28 日 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Alveo Energy $4,000,000 Palo Alto, CA コスト効率の良いエネルギー貯蔵のためのオープンフレーム型電極蓄電池 Alveo Energy社はプルシアンブルー色 素 を蓄電池内部の活性材料基盤に用いた グリッド 用蓄電池の開発を行う。プルシアンブルーは安価で、入手も容易であ り、その特性を利用した 資料の複写(青写真)材料としての用途が最も 知られ ている。Alveo社はこの安価な色素材料 を用いて、より過酷な条件下でも内部 損傷を起 こさない、耐久性を持った新たな蓄電池の製造 を行うことで、再生 可能エネルギー技術の導入・配備の促進を助ける。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Case Western Reserve University $567,805 Cleveland, OH (クリーブランド、 オハイオ州) 電力グリッド用エネルギー貯蔵のための鉄系フロー蓄電池 Casa Western Reserve大学はグリッド規模 のエネルギー貯蔵用に、安価で、鉄 系水溶液の フロー蓄電池の開発を行う。フロー蓄電池は電 解槽内部ではなく 外部タンクに化学エネルギ ーを貯蔵する。供給量が豊富で無害な鉄を使う こ とにより、エネルギー貯蔵に伴った課題に対 して低コストで安全な解決策がも たらされる。 成功した場合、この技術によってDOEが設定 した2015年の大規模 定置型エネルギー貯蔵に 関するコスト目標は達成され、再生可能エネル ギー 技術の導入・配備が促進されるだろう。 研究チーム名 Harvard University 220 http://arpa-e.energy.gov/?q=arpa-e-news-item/arpa-e-awards-130-million-66-transformationalenergy-technology-projects Stepwest Corp Feb. 2014 175 エネルギー保存システム 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 $590,035 Cambridge, MA (ケンブリッジ、マ サチューセッツ州) 小型の有機分子フロー蓄電池 Harvard大学は再生可能エネルギー源 か ら 電力を貯蔵するための革新的なグリ ッド用フ ロー蓄電池の開発を行う。フロー蓄電池は電解 槽内部ではなく外部 タンクに化学エネルギー を貯蔵する。Harvard大学の開発する蓄電池に は比較 的安価で無害な活性物質が使われ、他の 物質を使った蓄電池と比較して10倍も のエネ ルギー量を保持できると見込まれている。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Sharp Laboratories of America $2,904,393 Camas, WA (キャマス、ワシン トン州) グリッド用エネルギー貯蔵のための低コストナトリウムイオン蓄電池 Sharp Laboratories of America社は、高い エネルギー容量を維持しながらも 、低コストで 耐用期間が劇的に延びるナトリウムイオン蓄 電池の開発を行う 。成功した場合、この蓄電池 によってDOEが設定した2015年の大規模設置 型エ ネルギー貯蔵に関するコスト目標は達成 され、再生可能エネルギー技術の導入 ・配備が 促進されるだろう。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Teledyne Scientific Company $556,732 Thousand Oaks, CA (サウザンドオーク ス、カリフォルニア 州) グリッド用電気エネルギー貯蔵のためのカリウムイオンフロー蓄電池 Teledyne Scientific社は低コスト大規模エ ネルギー貯蔵のための水溶液系カ リウムイオ ンフロー蓄電池の開発を行う。フロー蓄電池は 電解槽内部ではな く外部タンクに化学エネル ギーを貯蔵する。成功した場合、この蓄電池に よ ってDOEが設定した2015年の大規模定置型 エネルギー貯蔵に関するコスト目標 は達成さ れ、再生可能エネルギー技術の導入・配備が促 進されるだろう。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 University of Delaware $793,071 Newark, DE (ニューアーク、デ ラウェア州) 定置型エネルギー貯蔵のための高電圧フロー蓄電池 Delaware大学は、電圧とエネルギー貯蔵容 量を増加させるために、薄膜技術を 用いて低コ スト水溶液系フロー蓄電池の開発を行う。フロ ー蓄電池は電解槽 内部ではなく外部タンクに 化学エネルギーを貯蔵する。成功した場合、こ の 蓄電池によってDOEが設定した2015年の大 規模定置型エネルギー貯蔵に関する コスト目 標は達成され、再生可能エネルギー技術の導 入・配備が促進される だろう。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 University of Southern California $569,019 Los Angeles, CA (ロサンゼルス、カ リフォルニア州) グリッド貯蔵のための安価な金属フリーの有機レドックスフロー蓄電池 Southern California大学は水溶液系のグリ ッド用の金属フリーフロー蓄電池 の開発を行 う。フロー蓄電池は電解槽内部ではなく外部タ ンクに化学エネル ギーを貯蔵する。革新的な構 造や材料を導入した蓄電池は、コスト削減、耐 用性の強化、そして再生可能エネルギーの更な る配備を促進する可能性を持つ 。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Georgia Institute of Technology $2,115,000 Atlanta, GA (アトランタ、ジ ョージア州) 構造変化させたグラフェンを使用した高性能スーパーキャパシター Georgia工科大学(Georgia Tech)はグラフェ ン(二次元の炭素原子シート)を使 って、既存技 術の10倍の密度でエネルギーを貯蔵するスー パーキャパシター の開発を行う。スーパーキャ パシターは、蓄電池と似た方法でエネルギーを 貯蔵するが、より早く充放電することができる。 Georgia Techチームは内部構 Stepwest Corp Feb. 2014 176 エネルギー保存システム 造の改善を行い、 グラフェンシートが低コストでより多くのエネ ルギーを貯 蔵できるようにする。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Palo Alto Research Center $935,196 Palo Alto, CA (パロアルト、カ リフォルニア州) プリント技術を駆使して集積した蓄電池 Palo Alto研究所(PARC)はリチウムイオン蓄 電池のための革新的な製造プロセ スを開発し、 製造コスト削減と性能の改善を行う。P ARCの プリントプロセス で蓄電池の層に細かな縞模様 を施すことにより、エネルギー貯蔵量を増加さ せ、電気自動車の走行距離を伸ばす。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 PolyPlus Battery Company $4,500,000 Berkeley, CA (バークレー、カリ フォルニア州) 高性能、低コストの水溶液系リチウム硫黄 蓄電池 PolyPlus Battery社とJohnson Control社は 革新的な水溶液系リチウム硫黄蓄 電池の開発 を行う。リチウム硫黄蓄電池技術は現在、最も 軽量な高エネルギ ー蓄電池であり、完全な機器 内蔵形である。こうした水溶液系蓄電池の新た な特徴が、PoluPlus社のユニークで軽量な蓄電 池を軍事用及び民生用にとって 最良のものに する。成功した場合、この技術は商業及び軍事 目的の市場へと 広く推移していくだろう。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 University of California at Santa Barbara $1,600,000 Santa Barbara, CA (サンタバーバラ、 カリフォルニア州) 高エネルギー電気化学キャパシター California 大学Santa Barbara校は、キャパ シターと蓄電池それぞれの特 性を 一つの技術 に合わせた、ハイブリッド電気自動車向けのエ ネルギー貯蔵デバ イスの開発を行う。このエネ ルギー貯蔵デバイスによって数分間での充電 が 可能となり、走行距離が延び、平均耐用期間 は現在の電気自動車の蓄電池より も長くなる だろう。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 University of Nevada Las Vegas $2,520,429 Las Vegas, NV (ラスベガス、ネバ ダ州) リチウムの豊富な逆ペロフスカイトを超イオン固体電解質として利用 Nevada Las Vegas大学(UNLV)は現在の自 動車用リチウムイオン(Li-ion)蓄電池 の安全性 を高めるため、耐火性のある新たな電解質の開 発を行う。現在のLiion蓄電池には可燃性の液 体電解質が使われており、過熱や過充電が起き た時 に発火してしまう。UNL Vはこの可燃性の 電解質を、リチウムの豊富な逆ペロ フスカイト と呼ばれる、耐火性のある硬い岩のような材料 に替える。成功し た場合、新たな電解質技術に よって事故発生時の安全性が高まり、また一方 で電気自動車の走行可能距離や加速度が増し、 性能も向上する。 研究チーム名 助成金額 所在地 プロジェクトタイトル 内容 Vorbeck Materials Corp. $1,500,000 Jessup, MD (ジェサップ、メリ ーランド州) ハイブリッド車向けの低コストで高速充電が可能な蓄電池 Vorbeck Materials社はハイブリッド車 向 けの低コストで高速充電が可 能な蓄 電池の開 発を行う。この蓄電池はリチウム硫黄の化学 的性質をベースとして おり、現在のリチウム イオン蓄電池よりも優れたエネルギー密度を 有する。 成功した場合、このシステムを使っ てより多くの制動(ブレーキ)エネルギーを 取 り込み、ハイブリッド車の効率性を20%まで 向上すると共に、一方でコスト と排ガス量を 削減できる可能性がある。 Stepwest Corp Feb. 2014 177 エネルギー保存システム Stepwest Corp Feb. 2014 178 エネルギー保存システム 12. 添付資料-D : エネルギー保存(蓄電)関連の用語集 ARPA-E Advanced Research Projects Agency - Energy ARRA American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (略称ARRA) BTU 英熱量 (British thermal unit） C 充放電率 時間率 CPUC DOE DOD ESS IEC 規格 California Public Utilities Commission Department of Energy Depth Of Discharge Energy Storage System International Electro technical Commission ISS Idling Stop System アイドリングス トップシステム KERS Kinetic EnergyRecovery System Stepwest Corp エネルギー高等研究計画局 2007年に創設されたエネルギー関連の研究開発を支援する米 エネルギー省(DOE)管轄下の組織（米国防省のDARPAをモデル にしている） 通称景気刺激策 (the Stimulus)、復興法 (The Recovery Act) は、アメリカ合衆国第111議会において2009年2月に制 定され、バラク・オバマ大統領が2009年2月17日に署名して 成立した、景気刺激対策法である。 http://ja.wikipedia.org/wiki/2009年アメリカ復興・再投 資法 ヤード・ポンド法のエネルギー・仕事・熱量の単位。1ポン ドの水の温度を華氏度で1度上げるのに必要な熱量。 252〜253 カロリー、1,054〜1,060 ジュールと等しい。 1015BTUの事を、1Quadという。 電池の分野で使用されている単位で、電池の全容量を充放電 する際の速さをあらわし、電池の全容量を1時間で放電させ るだけの電流量を「1Cレート」という。 その電流量「1C」の何倍かを「Cレート」で表す。例えば、 容量10Ahの電池において20Aの電流で放電させた場合は「2C での放電」となる。同じ容量10Ahの電池において5Aの電流で 充電させた場合は「0.5Cでの放電」となる ある容量を持った電池が1時間で放電完了電圧あるいは充電 完了電圧に至る電流値を1時間率または１充放電率（1C）と している。 40Ahの公称容量値の容量を有するセルを2Cで放電すると、30 分で放電が終了するという意味です。 例えば、下記の様な使い方をする 「酸化鉄リチウムイオン二次電池なら、公称容量値の電流（ 1C）の３倍の電流(3C)で充電が可能です。 「一般的なコバルト系リチウムバッテリーは高速充電に対応 していないので5時間充電（0.2C）です。」 カリフォルニア公共事業委員会 米国エネルギー省 電気容量に対して、放電した電気量を比率で表したもの。 国際電気標準会議が定めた、電気、電子技術に関する国際標 準規格。 アイドリングストップは駐停車や信号待ちなどの間にエンジ ンを停止させることで、燃料節約と排出ガス削減の効果が期 待されている。アイドリングストップが理想的に行われると 、14%程度燃費が向上すると言われている。エンジン再始動 時にかかる燃料と、5秒間エンジンを停止することで節約さ れる燃料の量がほぼ等しいので、5秒以上停車する場合は、 アイドリング・ストップした方が燃料消費が少なくなると試 算されている。 運動エネルギー回生システム ブレーキング時のエネルギーを回収・蓄積し再利用するシス Feb. 2014 179 エネルギー保存システム FERC federal energy regulatory commission kWh kilowatt hour キロワット時 PTC Positive Temperature Coefficien cy SBIR / STTR SOC State Of Charge SLAC UPS（無停電 電源装置） Underwriters Laboratories Inc . Uninterruptible Power Supply W Watt イオン ion イオン伝導度 ionic conductance イオン液体 ionic liquid インバータ inverter 一次電池 primary battery 液漏れ（漏液 ） electrolyte leakage UL Stepwest Corp テムの総称 米国連邦エネルギー規制委員会のことで、米国において、電 力事業・ガス事業に対する規制・監督を行う委員会である。 1977 年にエネルギー省（DOE）が設立された時に、同省内に 設置されたが、一般の行政からは独立した権限を有する。こ の委員会の設置により、その前身である FPC（Federal Power Commission：米国連邦動力委員会）は廃止された。 FERC は前身である FPC の有していた電力会社および天然ガ ス産業に対する監督権、州際パイプラインの敷設許認可権並 びに州際天然ガスの販売価格の統制権を譲り受けるとともに 、1978 年天然ガス政策法および公益事業規制政策法の二つ の法律によりその権限が一層拡大された。 キロワット時は、エネルギー、仕事、熱量、電力量の単位。 1キロワットの仕事率で1時間続けたときの仕事、あるいは1 キロワットの電力を1時間消費もしくは発電したときの電力 量。 温度が上昇すると抵抗値が正の数だけ増大する性質のこと。 大電流が流れると抵抗値が急速に大きくなり電流を阻止する 機能を通常のリチウムイオン電池には備えている。 外部短絡に対してはこれが作動するため、大きな事故になら ないことが予想されるが、セルの内部で短絡が発生した場合 はセルに備わっているいろいろな安全機構が作動しないケー スもある。 DoE/ARPA-Eが行っている補助金の種類 SBIR : Small Business Innovation Research STTR : Small Business Technology Transfer エネルギー貯蔵に限らず、小企業の各種のクリーンテクノロ ジー向けの研究開発を支援している 電気容量に対して、充電している電気量を比率で表したも の スタンフォード国立加速器研究所 アメリカ保険業者安全試験所が部品、装置、製品などの安全 評価試験を行い、試験に合格したものにはULマークの使用が 認められる。 停電時に一定時間電力を供給し、機器を停止することな く稼動できるようにした装置。 ワットとは仕事率や電力、工率、放射束、をあらわすSIの単 位。仕事量(Whやジュール)ではない。 1秒あたりに変換・使用・消費されているエネルギー（仕事 ）を表す。 W=V·A = kg·m2·s−3 正（プラス）と負（マイナス）の電気を帯びた原子や分子の こと。 電圧をかけた状態で、電荷を持った粒子であるイオンの移動 により電荷が運ばれ、電流が流れる現象をイオン伝導という 。流れる電流とかけた電圧の比（抵抗の逆数）をイオン伝導 度という。 液体で存在する塩（えん）のこと。イオン性液体、低融点溶 融塩などとも呼ばれる。通常「塩」は常温下では固体だが、 塩を構成するイオンをある種の有機イオンに置換した場合、 融点が低くなり、室温付近でも液体状態で存在する。 直流電流を交流電流に変換する装置。逆変換装置とも呼ばれ る。（⇔コンバータ） 化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する方向だけに 使用するように設計された電池。すなわち、放電のみが可能 な(充電できない)使いきりの電池。 電池が過放電状態になると、ガスによる内圧上昇が生じる。 この際危険を回避するためのガス排出弁が作動し、ガスとと もに電解液が漏れる現象。 Feb. 2014 180 エネルギー保存システム エネルギー密 度 Energy density 温度ヒューズ thermal fuse 開路電圧 open circuit voltage 過充電 over charge ガス排出弁 gas release vent 活物質 active material 過電圧 over voltage 過放電 over discharge カーボンナノ チューブ carbon nanotube 急速充電 組電池 rapid charge assembled cells 結着剤 binding agent 空気極 air electrode 釘刺し試験 公称電圧 公称容量 固体電解質 nail penetration test (of batteries) nominal voltage nominal capacity solid electrolytic コバルト酸リチ ウム Lithium cobalt oxide コンバータ converter サーミスタ thermistor Stepwest Corp 電池から取り出しうるエネルギー量の単位体積または単位質 量当りの値。 前者は(ワット･アワー毎リットル[Wh/l])、後者は(ワット･ アワー毎キログラム[Wh/kg])で表します。 機器内の温度を感知し、一定温度に達した際に回路を遮断す る安全装置。遮断後は復帰しない。 外部負荷をかけない（電流を流さない）状態での、その電池 端子間の電圧。（⇔閉路電圧） 満充電状態を越えて充電されること。必要以上の過充電を 行うと、電池に悪影響を及ぼす。 高温状態など急激な内圧上昇が生じた際、ガス排出弁が圧力 を開放し危険を回避する。安全弁ともいう。 電極上で電子の受け渡しを行う物質のこと。負極活物質が電 子を放出し、この電子を正極活物質受け取り回路に電流が流 れる。 電気化学反応において、正極と負極の電位が平衡にあると き（平衡電極電位）と比べて、余分に電位がかかっている状 態をいう。 規定の終止電圧を下回って放電すること。 炭素原子が平面状で蜂の巣格子状に並んだ構造を持つグラフ ェンが丸まって筒になった構造のもの。一層からなるものを 単層カーボンナノチューブ（SWCNT：single-walled carbon nanotube）と呼び、グラフェンシートの巻き方により金属的 な特性になったり、半導体的な特性になったりする。また SWCNTが入れ子状になり複数層からなるものを多層カーボン ナノチューブ（MWCNT：multi-walled carbon nanotube）と 呼ぶ。 大電流を流すことにより短時間で充電すること。 単電池をニッケル板で複数接続し、熱収縮チューブでパック されたもの。パック電池ともいう。 電極活物質の形状安定性を持たせるための材料。化学的お よび電気化学的に安定な有機高分子化合物が一般に用いら れる。 燃料電池や空気電池において、正極活物質である酸素の反応 場となる電極。リチウム－空気電池では貴金属や遷移金属酸 化物などの触媒と電子伝導性を付与するための炭素材料、そ れらを金属集電体に固定化するためのバインダー（接合材） で構成される。 満充電状態のセルのほぼ中央付近に鉄製の釘を貫通させるも ので、セルの内部短絡のシミュレーション試験である。しか し、釘の太さや釘挿入のスピードにより、試験結果が非常に 大きく変わりうる。 メーカーが規定した目安となる電圧。 メーカーが規定した目安となる容量。 電解質の水溶液は電気（イオン）が流れるが、固体状態のま までイオンが流れる（移動する）物質を「固体電解質」とい う。 現在使われているリチウムイオン二次電池のほとんどに正極 材料として採用されている。放電電圧は約4.0Vで容量は150160mAh/gと非常に良好な性能を示す。しかしながら、コバル ト金属の資源量が乏しく（世界のコバルト埋蔵量：約960万 トン）、また、価格が他の遷移金属であるマンガン、チタン などと比べて高く、近年、価格の高騰が問題となっていた。 交流電流を直流電流に変換する装置。順変換装置とも呼ばれ る。（⇔インバータ） 温度によって抵抗値が変化する感温センサーのこと。電池温 度を検知するために用いられる。 Feb. 2014 181 エネルギー保存システム 細孔 サイクル特性 pore; small cavity cycling characteristics 仕事 自己放電 集電体 終止電圧 充電 作動電圧 充電効率 self discharge current collector (electrical) cut-off voltage charge operating voltage charge efficiency 充放電容量 charge‐ discharge capacity 重量エネルギー 密度 Energy density by weight シャットダウン 機能 Shut down function ジュール Joule スマートバッテ リー Smart battery スピネル構造 Spinel structure 正極 positive electrode セパレータ separator セラミック電解 ceramic Stepwest Corp 材料がもつ微細な空孔のこと。その大きさに合う物質を取り 込む特性をもつ。 充放電の繰り返しにより、電池容量が低下する特性。1C 充 電と1C 放電を繰り返したときの容量値の推移をみる。 物体に加えた力と、それによる物体の位置の変位の内積（ス カラー積）によって定義される物理量。熱と同様にエネルギ ーの移動形態の一つで、 MKS単位系での単位は N·m もしく はJである。 電池に負荷を接続しない状態で放置(貯蔵)したとき、電池内 部の化学反応によって、電池本来の使用可能な容量が減少す る現象。放置中の温度が高いほど自己放電は大きくなる。 電極活物質の電気化学反応で発生する電子を端子に導く高導 電性の材料。 放電を終了させるために規定した電圧。終止電圧を下回ると 過放電となる。 外部電源から電流を供給し電池内に蓄えること。（電気 エネルギーを化学エネルギーに変換し蓄える。） 実使用時（負荷をかけた状態）の電圧のこと。 放電容量（Ah）効率と仕事量（Wh）効率の総称。 二次電池の充電・放電時に貯めたり取り出したりできる電気 量（mAh あるいはAhで表記）。正極材料や負極材料に関して は、材料の重量当たりの充放電容量として、mAh/g、あるい はAh/kgとして表す。この値が大きいほど性能が良い。リチ ウムイオン二次電池の負極材料では、充電容量・放電容量は 、負極材料に可逆的に挿入・脱離可能なリチウム量にそれぞ れ対応している。 単位重量での電池の容量（エネルギー）。Wh/kg という単位 で表される。 リチウムイオン二時電池のセルが内部短絡した場合，微多孔 性膜であるセパレータが溶解し，短絡した部分の孔をふさぎ ，イオンの伝導を止められる機能のこと。 エネルギー、仕事、熱量、電力量の単位。1ニュートンの力 が力の方向に物体を1メートル動かすときの仕事。1ジュール は、地球上でおよそ102グラム（小さなリンゴくらいの重さ ）の物体を1メートル持ち上げる時の仕事に相当する。 約2.78 × 10-7 kW·h（キロワット時） 約0.238 9 cal（カロリー） 約0.000 948 BTU（英国熱量単位） インテルとその他電池メーカーが定めた、電池駆動機器、電 池パック、充電器間の情報管理に関する規格。スマートバッ テリー準拠の電池パックは、満充電容量、現在の充電量、充 放電サイクル数などの情報を本体に通信する。 天然の鉱物（スピネル：MgAl2O4）に代表されるAB2O4型の無 機化合物に多く出現する結晶構造。リチウムマンガン酸化物 系では、最も代表的な構造であり、マンガン酸化物の形成す る骨格構造の隙間に、リチウムイオンのトンネル構造が３次 元的に交差している。 放電時に電流が流出する側の（電位が高い）電極。陽極とも いう。（⇔負極） カソードとも言う。 正極板と負極板の間に短絡防止と間隔保持の目的で挿入する 多孔または微孔性の薄板や布、 状体または 体。隔離板は 耐酸化性、耐薬品性、電気絶縁性等があり、その上電解液の 拡散やイオン伝導を妨げないことなどの機能をもつ必要があ る。また、電解液保持の機能をもたせることがある。 固体電解質のなかで、その材料が金属の酸化物や炭化物、ホ Feb. 2014 182 エネルギー保存システム 質 セル 体積エネルギー 密度 electrolyte cell Energy density by volume 短絡 short-circuit 蓄電池 rechargeable battery チタン酸リチ ウム lithium titanate 定格電圧 rated voltage 定格容量 rated capacity 電解液 electrolyte トリクル充電 trickle charge トンネル構造 Tunnel structure ナノポーラス 構造 internal shortcircuit lead-acid battery nanoporous structure ナノワイヤー Nano wire ニッカド電池 （ニッケルカド ミウム電池） Nickel-Cadmium rechargeable battery secondary battery Nickel Metal Hydride rechargeable battery 内部短絡 鉛蓄電池 二次電池 ニッケル水素電 池 熱 heat 燃料電池 fuel cell ハイレート放電 high-rate discharge Stepwest Corp ウ化物、硫化物等の無機化合物で構成されているもの。 正極、負極の一組をもつ単電池。 単位体積での電池の容量（エネルギー）。Wh/L という単位 で表される。 電気回路の二点間を、きわめて低い抵抗値の導線で接続され る状態のこと。ショートともいう。 二次電池と同義 スピネル型の結晶構造をとり、Li[Li1/3Ti5/3]O4という化学構 造式の化合物。この化学組成1モル当たり、1モルのリチウム が挿入・脱離できる。約1.55 Vに電位平坦部があり、酸化物 重量当たり175 mAh/gの容量で、可逆的に充放電することか ら、高電位負極材料として注目されている。特に、リチウム の挿入・脱離反応に伴う格子体積変化がほとんどないことか ら、電極の膨張・収縮が少ないことも実用上のメリットと言 われている。 各機器の定められた電圧のこと。 規定の電流条件の下、満充電状態から放電終止電圧まで放電 させたときに取り出せる電気量のこと。 イオン性物質を極性溶媒に溶解させて作った、電気を伝導さ せる溶液。 負荷から切り離して微弱な電流を継続的に流し充電しておく こと。急速充電に比べ電池への負荷を軽減できるため、電池 寿命を延ばすことができる。 結晶構造の特徴として、遷移金属酸化物などが構成する３次 元の骨格構造の隙間に、アルカリイオンが一次元的に配列し た構造を言う。ナトリウム、カリウムを含むマンガン酸化物 によく出現する結晶構造である。 電気内部で正極と負極とが短絡（ショート）すること。 正極に二酸化鉛、負極にスポンジ状の鉛、電解液に希硫酸を 用いた二次電池。公称電圧は2.0V。 構造中に分子レベルの均一径の規則的な配列の細孔を持つ多 孔体。 直径が数ナノメートルから数百ナノメートルである繊維状物 質を指す。1ナノメートルは、1メートルの十億分の1である 。 正極に水酸化ニッケル、負極に水酸化カドミウム、電解液に 水酸化カリウム水溶液を用いた二次電池。公称電圧は1.2V。 繰り返し充放電ができる電池のこと。 正極にオキシ水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解 液に水酸化カリウム水溶液を用いた二次電池。公称電圧は 1.2V。 1つの物体や系から別の物体や系への熱接触によるエネルギ ー伝達の過程であり、ある物体に熱力学的な仕事をすること でその物体に伝達されたエネルギー。 物体間の熱によるエネルギー伝達は、熱放射（輻射）、熱伝 導、熱伝達（対流）に分類される。 熱はエネルギーの移動形態の一つであり、「熱」という形態 を通して移動したエネルギーの量を「熱量」という。 水の電気分解と逆の原理を利用し、水素と酸素などの燃料か ら電気エネルギーを作り出す装置のこと。日本では電池とい うが、実際には発電装置で電池ではない。 大電流（ハイレート）で行う放電のこと。 Feb. 2014 183 エネルギー保存システム バルク型全固 体電池 bulk-type all solid battery パルス充電 pulse charging 負極 negative electrode ブレーカ breaker フロート充電 float charge 放電終止電圧 放電深度 放電容量 保護回路 cut-off voltage of discharge depth of discharge capacity discharge capacity protector circuit メモリー効果 memory effect 容量 capacity リチウム－空気 電池 Lithium-Air battery リチウムイオン 二次電池 Lithium-ion rechargeable battery リチウムイオン ポリマー二次電 池 Lithium-ion Polymer rechargeable Stepwest Corp 正極、負極、固体電解質材料の粉末原料を型に入れて積層し 、これに高い圧力をかけたまま、なるべく各層の密度を上げ 、全固体電池として動作するようにしたもの。 充電中のごく短時間だけ規格値である4.2V を越えることを 認め、電圧値を大きくすることによって、短時間で充電する こと。 放電時に電流が流入する側の（電位が低い）電極。陰極とも いう。（⇔正極） 電池が一定温度に達した際、あるいは一定電流値が流れた際 に電流を遮断するもの。 自己放電による電圧低下を感知し、常に満充電状態を維持す るための充電。無停電電源装置（UPS）で多く採用されてい る。 放電を終了させるための蓄電池の端子電圧。 実容量に対する放電容量の比率。%で表す。 放電の際取り出せる容量。（放電終止電圧に達するまで の容量。） 過充電、過放電、過電流、過熱を防止するために、電池 パックに組み込まれている回路。 ニッカド電池やニッケル水素電池の場合、容量を残した状態 で放電を中止し再度充放電を行うと、初回に放電を中止した 付近で少し電圧が低めに推移するようになる。このように電 池は浅い深度の放電を受けた経歴を記憶（メモリー）してい ることからメモリー効果と呼ばれる。ニッケル水素電池での この現象は一時的なものであり、深い放電を行うことで通常 は解消する。また、リチウムイオン電池や鉛蓄電池ではメモ リー効果は生じない。 電池がもつ電気量。単位はアンペアアワー（Ah）または ミリアンペアアワー（mAh）で表す。 放電電流（A）× 放電時間（ｈ）＝容量（Ah） 金属リチウムを負極活物質(電子を放出する物質)とし、空気 中の酸素を正極活物質（電子を取り込む物質）として構成し た充放電可能な電池。リチウムは金属のうち最もイオンにな りやすく、これを負極として用いると正極との電位差が大き く、高い電圧が得られる。また原子の大きさが小さいため質 量あたりの電気容量が大きくなる。理論上リチウムイオン電 池よりも約5～8倍の重量エネルギー密度が期待され、自動車 用電池として研究されている。しかしながら、水、窒素、酸 素との反応性が高い金属リチウムを負極として用いるため、 大気に解放した正極から水などの侵入を防ぐ必要があり、リ チウム－空気電池の電解質材料には耐水性や、ガスを通さな い気密性等が求められる。 正極材料のコバルト酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化 物、負極材料の黒鉛系炭素材料、および非水系電解液から構 成される二次電池。充電時に正極から負極へ、放電時に負極 から正極へリチウムイオンが移動することによって電池とし て作動する。 現在使われている二次電池の中で最も高い作動電圧（3-4V） を有する。 1990年代初めに実用化され、電池の体積あるいは重量当たり に取り出すことができる電力量（エネルギー密度）が他の二 次電池に比べて格段に大きいことから、携帯電話、ノートパ ソコンなどのモバイル機器のバッテリーとして広く使われて いる。 リチウムイオン電池と原理的には同じだが、電解質は液体で はなくポリマー（ゲル状）を用いた二次電池。他の二次電池 に比べ小型軽量であるが、電池が膨らむなどの現象が起こる Feb. 2014 184 エネルギー保存システム battery リン酸鉄リチウ ム lithium iron phosphate 場合もある。 リン酸鉄リチウム(LiFePO4)は、結晶構造が強固で、高温にお いても熱安定性が高いリチウムイオン電池用の正極材料で、 その理論容量は171mAh/g。コバルト等を使用する正極材料よ りも資源的な制約が少なく、実用化も進んでいる。 な Stepwest Corp Feb. 2014 185
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