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二次電池の需要が急拡大 再生可能エネルギーの大きなカギに 社会インフラなど多用途で期待新型リチウム系は量産体制へ

二次電池の需要が急拡大している。携帯電話やパソコン、ハイブリッドカーや電気自動車などの民生用分野から、電力貯蔵など将来的な再生可能エネルギーとして注目されており、低炭素社会実現に向けたインフラバッテリーとしての期待が急速に高まっている。二次電池は蓄電池、充電式電池ともいい、充電を行うことで電気を蓄え繰り返し使用できる化学電池である。日本では車両(主に自動車)に用いられてきた鉛蓄電池をバッテリーと称してきたので、単にバッテリーといえば通常は蓄電池を指すことが多い。現在では、鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池などがよく知られている。

一般的に二次電池は、電気を使用しなくても時間とともに蓄えた電気が徐々に失われる自然放電が大きいので、長期保存後に使用するには、失われた容量を回復させるための充電(補充電)を行わなければならない。自然放電量は、二次電池の種類や保存状態などによって異なる。

充電、放電をするには、金属が酸化還元するイオン化傾向を利用して酸化還元電位を発生させる。鉛蓄電池の場合、鉛の電極を希硫酸でつなぐと電力と水が発生する。また、電極をつなぐ物質を電解質というが、通常は酸化還元作用のある液体が使われる。乾電池は、粘り気のある液体を電解質として使いやすくしたものである。また、固体の電解質は正負両極をつなぐことで、安定・安全な電池が作れる。二次電池の種類は、一般型として鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル鉄蓄電池、ニッケル亜鉛蓄電池、酸化銀亜鉛蓄電池がある。

液循環型ではレドックスフロー電池、亜鉛塩素電池、亜鉛臭素電池、メカニカルチャージ型ではアルミニウム空気電池、空気亜鉛電池、空気鉄電池、高温動作型ではナトリウム硫黄電池、リチウム硫化鉄電池がある。

二次電池は自動車や航空機、農業機械など各種車両のほか、ノートパソコンやデジタルカメラ、携帯電話など様々な機器に利用されている。携帯機器の場合、二次電池の性能が製品購入時のポイントとなるので、容量が大きい最新技術のバッテリーが採用されるケースが多い。

デジタルカメラなどは、本体にバッテリーを内蔵していることが多いが、それだけでは必ずしも十分な時間に使用できるとは限らないので、外部バッテリーパックが利用されている。機器本体のDC入力端子に直接接続し、ACアダプターが使用される。ノートパソコンは大容量の外部バッテリーが販売されており、AC電源供給のない場所での安定した利用を可能にしている。

現在、最も普及している二次電池は鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池があるが、環境に優しく、電気自動車や再生可能なエネルギーとして注目されているのが、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などである。

従来の鉛蓄電池は、正極に鉛化合物・硫酸、負極に鉛・硫酸、電解液に硫酸を使用し、車両用やUPSなどに使用されている。一方、リチウムイオン電池は、正極にリチウム化合物、負極にカーボンなど炭素系材料、電解液に有機電解液を使用、ノートパソコンや携帯電話、電動工具、デジタルカメラ、そして電気自動車(EV)に使用されている。

また、ニッケル水素電池は正極にニッケル化合物、負極に水素吸蔵合金、電解液に水酸化カリウム水溶液を使用、コードレス電話やデジタルカメラ、電動工具、ハイブリッド自動車(HEV)などに使用されている。

二次電池に求められる要素としては、安全性、急速充電、大実効容量、長寿命、高出力、低温動作などがある。

最近、大手電機メーカーが開発した新型二次電池は、正極はリチウム化合物だが、負極に独自開発のチタン酸リチウム(LTO)を使用。外力などで内部短絡が生じても、熱暴走を起こさない安全性を備えており、6000回以上の充放電における容量維持率が90%以上とわずかな低下容量である。

また、約5分で充電が可能な急速充電性、出力は電気二重層キャパシタ並みという高出力、さらにマイナス30度の低温環境でも60%以上の放電容量を維持するなど、従来のリチウムイオン電池より一段優れた性能を備えている。

こうした優れた特徴により、HEVやEV、電動アシスト自転車、電動バイク、フォークリフト、無人搬送車のほか、電池交換を前提としないアプリケーションの設計など、様々な分野への応用が期待できる。

すでに、このメーカーの新型二次電池は、本田技研工業のビジネスユース向け電動バイクにセルを組み合わせた電池モジュールとして採用されている。この電池モジュールは、電池特性を最大限に生かすため、温度や電圧などで総合的に充放電を管理するバッテリーシステムで、長寿命なうえ、急速充電器を用いて20分で80%の充電が可能という。

同社では、約250億円を投資し、新型二次電池を量産できる工場を昨年10月に竣工させており、今春から量産を開始する。当面は、EV用途などに向けたセル・モジュールの生産を計画、生産開始当初は月産50万セル体制で、車載用途向けの市場が本格化する今年度中に生産能力を順次拡大するとしている。

さらに、同社では二次電池事業を成長性の高い新規事業と位置付けており、電動車両用途向けの次の段階として、将来的にはスマートグリッドなどで利用される電力貯蔵向けなど、新たな市場における需要急増にもタイムリーに対応できる体制を整えている。

さらに、将来性のある二次電池としてリチウムポリマー二次電池も注目されている。リチウムポリマー二次電池は、リチウムイオン二次電池電解質にゲル状のポリマー高分子を利用した2次電池。

通常のリチウムイオン二次電池は、電解質に液体を用いるが、小型化・軽量化が難しいという欠点がある。リチウムポリマー二次電池は液体の電解質をポリマー内に固着させ、ゼリー状の流動性を持つ固体と液体の中間的な状態になっている。これにより、非常に薄い形状の電池や、角型以外の任意の形状の二次電池を作ることが可能となった。

また、単位体積あたりに蓄えられるエネルギー量は従来の約1・5倍で、同じ容量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。内部が液体でないので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、簡単な外装で済むようになった。

こうした特徴から、携帯電話やPDA、ノートパソコンへのエネルギー貯蔵媒体として採用が拡大している。さらにEVのバッテリーなど、大型のエネルギー貯蔵媒体として期待が高まっている。

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