Technical Report
報文

新型（第５世代）アイドリングストップ車用鉛蓄電池の開発
Development of New (5th Generation) Enhanced
Flooded Lead Acid Battery for Idling Stop Vehicles
小渕竹晋＊
内泰京輔＊真観＊＊

和田稲秀垣俊＊＊賢＊＊Susumu Obuchi
Masaaki Kyo
Satoshi Inagaki
Taisuke Takeuchi
Hidetoshi Wada

Abstract
Automotive manufactures have been trying the development of idling stop vehicles to improve fuel efficiency

with simple systems and low cost compared to EVs and HEVs. The idling stop system (ISS) requires more and more

electric power to lead-acid battery for not only cranking including re-starting but also electric load during theidling stop on the road. Therefore, lead-acid battery for ISS must have high durability performance and highcharge acceptance. We have improved the durability and higher charge acceptance of the lead-acid battery for ISS

and we have supplied lead-acid battery for ISS from 1st to 4th generation in the market until now. However, forfurther improvement of the fuel efficiency, we need to develop the next generation lead-acid battery for ISS which
has higher durability and higher charge acceptance. We investigated the failure mode of 4th generation lead-acidbattery for ISS after the field driving test and confirmed the main failure mode was sulfation of the negative plates.

We succeeded in the development of the next 5th generation lead-acid battery for ISS to suppress sulfation by
new carbon technology and optimized additives in negative active material.

Key words : Lead-acid battery, Idling stop, Sulfation of negative electrode, Field driving test.

１

はじめに

地球温暖化防止対策の一つとして，自動車からのCO2 排出量削減のため燃費改善が強く求められている．日本は，2020 年までに乗用車の燃費を 2009 年（株）ＧＳユアサ グローバル技術統括本部

度実績に対して 24.1% 改善することを目標に掲げてい技術開発本部

る．それに対し自動車業界は，燃費性能を向上させた（株）
ＧＳユアサ グローバル技術統括本部

環境対応車の開発を急速に進め，2014 年度には平均

自動車電池技術部

燃費は 22.4 km/ℓ となり 2015 年度のガソリン乗用＊＊＊© 2016 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

15

GS Yuasa Technical Report2016 年 12 月

第 13 巻

第2号

車の燃費基準相当レベル（16.8 km/ℓ）を大きく上回

劣化モードを調査し，その改善を主目的として開発をり，2020 年度の燃費基準相当レベル（20.3 km/ℓ）進めた．本報では，市場での鉛蓄電池の劣化を格段にも達成した ．しかし，燃費規制の強化は今後も進展し，抑制することを可能とする第 5 世代アイドリングス

各国で 2025 年度に向けてさらなる厳しい目標値が検トップ車用鉛蓄電池について報告する .

1

討されている．

2

これらを実現可能にするためには，環境対応車，すなわちハイブリッド車や電気自動車，アイドリングス市場でのアイドリングストップ車用鉛蓄電池の使われ方トップシステム搭載車（以下，アイドリングストップ車という）の開発が必須となる．この中でも，アイド一般社団法人日本自動車工業会の統計によると，近リングストップ車は追加コストが少なく，既存車への年の自動車の主用途に占める「日常の買い物・用足し」付加が比較的容易であるため，多くの自動車メーカーの割合は増加を続け，4 割を超えて第 1 位となっておで採用が進んだ．また，近年ではさらなる燃費向上のり，この変化に伴って月間走行距離の平均値は年々減ため，各自動車メーカーは様々なアイドリングストッ少し，2001 年で 450 km，国内アイドリングストップシステムの開発を進めている．例えば，メインバップ車が普及し始めた 2009 年で 430 km，第 4 世代のテリに加えて，鉛蓄電池，リチウムイオン電池，キャアイドリングストップ車用鉛蓄電池の発売を開始した

パシタといった電源をサブバッテリとして搭載した 22011 年 で 410 km，2013 年 で 380 km， 直 近 の電源システムが開発され，既にそのシステムを搭載し2015 年で 350 km となっている 4, 5．このことから，た車両が発売されている．2016 年 8 月に日産自動車

アイドリングストップ車の普及拡大と同時期に月間走が発売開始した新型セレナは，サブとメイン電源の両行距離は大幅に減少していることが窺える．また，同方に当社製アイドリングストップ車用鉛蓄電池を搭載

統計によると，乗用車に占める軽自動車の割合は，「日している．このようにアイドリングストップシステム

常の買い物・用足し」を主用途とするユーザーが 3

は多様化が進んでいるが，コスト面や小型車への搭載割を超えた 2001 年で 19.5%，4 割を超えた 2011 年

しやすさを考慮した場合，今後もアイドリングストッで 34%，直近の 2015 年で 36% となっており，Fig. 1

プ車用鉛蓄電池を一つ用いたシンプルな 1 電源系のに示す通り，「日常の買い物・用足し」用途の拡大とアイドリングストップ車が主流であると予想されてい軽自動車の普及拡大には相関がある．前述の通り，コる .

スト面や搭載のしやすさから，アイドリングストップ

2

アイドリングストップ車は，始動回数が増えるだけでなく，エンジン停止中の各デバイスへの電力供給を鉛蓄電池からおこなう必要があり，従来車とくらべて鉛蓄電池の充放電量は格段に増加する．充放電量が増60加すると鉛蓄電池の劣化も進むため，従来の鉛蓄電池50（以下，従来品という）にくらべてアイドリングストッ

40
Ratio / %プ車用鉛蓄電池には高耐久性能が求められる．
さらに，燃費向上のためブレーキ制動時の回生エネルギーを電池に充電する必要があり，数秒から 10 秒程度という

The ratio of the people who use passenger automobiles
for short time and short distance driving as a main purpose
The ratio of the light cars among the types of the owned
passenger automobile3020

短時間での充電受入性能（以下，回生充電受入性能と10いう）の向上が求められる．

01990

これまでに当社は，従来品とくらべて耐久性能が約

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Year

4 倍，回生充電受入性能が約 3 倍のアイドリングス
トップ車用鉛蓄電池（第 4 世代）を開発し市場へ供

Fig. 1 Annual changes of the ratio of the people who
use passenger automobiles for short time and shortdistance driving as a main purpose for the main drivers and the ratio of the light cars※ among the types ofowned passenger automobiles.
※ light car is defined as the displacement is below
660 cc.

給してきた 3．しかしながら，さらなるアイドリングストップ車の燃費改善に貢献するため，より高耐久性・高信頼性を目指した次世代アイドリングストップ車用鉛蓄電池を開発する必要がある．そこで，当社は第 4世代のアイドリングストップ車用鉛蓄電池の市場での16

GS Yuasa Technical Report2016 年 12 月

第 13 巻

第2号

車は軽自動車を含む小型車を中心に普及してきた背景においても第 1 の劣化モードは負極活物質のサルがあり，アイドリングストップ車の使われ方についてフェーションであった．
この結果および今後もユーザーの月間走行距離の減も，月間走行距離が少ない利用環境であることが推察

少が続くと予想されることから，第 5 世代アイドリされる．

ングストップ車用鉛蓄電池の開発課題を，負極活物質他方，アイドリングストップ車用鉛蓄電池にとってのサルフェーションの改善とした．

は，月間走行距離が少ないことによる充電機会の減少，中間充電状態での車両休止期間の増加といった影響が3考えられる．このような使用環境においては，放電生成物である硫酸鉛が蓄積しやすく，車両休止期間にお第 5 世代の開発アイテム

いては硫酸鉛の結晶化が進み，サルフェーションと呼当社は，これまでサルフェーションが進行するメカばれる劣化が進行すると予想される．Fig. 2 にサルニズムの解明を試みてきた 7, 8．その結果，鉛／硫酸フェーションが進行した負極板内部の SEM 像を示す．

鉛電極の充電反応過程における，反応可能距離がサル10 µm を越える大きな結晶の硫酸鉛が確認できる．

フェーションに大きく影響を及ぼすことを見出した．

サルフェーションが進行した場合，充電受入性が低下

反応可能距離とは，硫酸鉛の還元反応が起こり得る臨するため，車両燃費の低下や鉛蓄電池の短寿命化につ界的な距離のことである．Fig. 4-(0) に示すように，ながる．

反応可能距離から外れた，反応できない硫酸鉛がサル

上記予測のもと，実際にアイドリングストップ車両フェーションの原因となると考えられる．したがって，から当社の第 4 世代アイドリングストップ車用鉛蓄サルフェーション抑制のためには，反応可能距離を長電池を回収し，解体調査により劣化モードを調査した．

くする，あるいは硫酸鉛を小さくし反応可能距離内に調査電池は，A 社軽車両搭載品［搭載期間 9.8 か月，硫酸鉛を収めることが有効であると考えられる．

走行距離 2218 km（月間走行距離換算で 226 km）］，

当社はこれまで負極添加剤について様々な検討をB 社 軽 車 両 搭 載 品［ 搭 載 期 間 9.3 か 月， 走 行 距 離行ってきた 9, 10, 11．それらの開発を通じて，サルフェー2017 km（月間走行距離換算で 217 km）］であり，ションを改善するためには以下の 2 つのアイテムが月間走行距離が少なく，近年の使用状況に類似してい有効であることを見出した．

ると考えられるものを選定した．

（ⅰ）新カーボン技術の導入

解体調査結果を Fig. 3 に示す．このレーダーチャー（ⅱ）負極活物質添加剤の最適化

トは当社が従来から用いている解析手法であり正負極板，セパレータおよびセル内部の各劣化モードを 0

Automotive manufacture A
Automotive manufacture B～ 5 の 6 段階に分類して劣化進行状態を半定量的に表したものである 6. 前述の予測通り，いずれの電池
Positive gridcorrosion

Positive active
material softening

Short-circuits
543210-1

Sediment ofdropped active
material

Negative active
material shrinkage

Negative active
material sulfation

Dendrite formation
Change ofseparator color

Fig. 3 Failure mode analysis of 4th generation M-42
type lead-acid batteries after field driving test. The
battery type is shown in standards of Battery Association of Japan (SBA S 0101 : 2014). The state of various
failure modes is evaluated by six ranks with the extent
of their deterioration phenomena：Rank 0 and 5
stand for no sign and the severest condition, respectively.

Fig. 2 SEM image of negative plate with progressive
sulfation.

17

GS Yuasa Technical Report

The distance thatlead sulfate canreact

2016 年 12 月

New Carbon
technology makes
the distance larger

第2号

Optimizing additive in negative
active material makes leadsulfate size smaller

Electrolyte

Electrolyte

第 13 巻Electrolyte

PbSO4

PbSO4

PbSO4

Pb

Pb

（0）before charging
Electrolyte（ⅰ） before charging（ⅱ） before charging

Electrolyte

Sulfation

Pb

Electrolyte
PbSO4
PbSO4

PbSO4

PbPb

Pb2+

2+2+PbPb（0）Charging

2+2+Pb

Pb2+Pb（ⅰ）Charging

Pb（ⅱ）Charging

Fig. 4 Proposed reaction model of Pb / PbSO4 electrode during charging.
（ 0 ）shows the model without any new items in negative active material.
（ⅰ）shows the model with new carbon technology in negative active material.
（ⅱ）shows the model with optimizing additive in negative active material.
改善することが可能であると考え，第 5 世代アイドリTable 1 Features of the various carbon materials.
Carbon Particle
SizeA
Small
B
Large
CLargeD
Large

Conductivity Productivity ofNegative Plate×△×△△×○○

ングストップ車用鉛蓄電池に適用した．

Cost○△×○4

サルフェーション加速試験
第 4 世代および第 5 世代の電池工業会規格 SBA S

120101 アイドリングストップ車用鉛蓄電池（2014）（ⅰ）新カーボン技術の導入では，種々あるカーボで規定されている M-42 電池をサルフェーション加ン 材 料 に つ い て様々な検討を行った．その一 例 を速試験（Fig. 5）に供試し，解体調査を行った．サル

Table 1 に示す．その中から量産面や性能面で優れたフェーション加速試験はアイドリングストップ車の走カーボン D を採用した．カーボン D は，従来のカー行条件を模擬した寿命パターンである．

ボンよりも導電性に優れ，粒径が大きい．そのため反Fig. 6 にサルフェーション加速試験中の車両始動放応可能距離が長くなり，より広範囲での充電が可能に電に相当する 250 Ａ放電末電位の推移を示す．第 5なると考えた（Fig. 4（ⅰ））．また，放電時に硫酸鉛世代の放電末電位は第 4 世代よりも良好に推移して生成時に核となる（ⅱ）
負極活物質添加剤を最適化するいた．つぎに，サルフェーション加速試験に 300 サことで，放電時に生成される硫酸鉛を反応可能距離内イクル供試した時点での負極板内部の SEM 像を Fig.の大きさに微細化することで，硫酸鉛の充電を容易に7 に示す．第 4 世代が 10 µm 程度でかつ結晶性の高した（Fig. 4（ⅱ））
．両者の効果により，硫酸鉛の充い硫酸鉛が見られたのに対し，第 5 世代は 5 µm 以上の結晶が成長した硫酸鉛は見られなかった．これらの電反応性が飛躍的に向上し，負極サルフェーションを18

GS Yuasa Technical Report2016 年 12 月

Current / A

Max. 50 A

12.85 V

14.0 V

ション抑制に効果があることを確認できた．

13.2 V50.1 A

90 s

28 A

80 s

40 s

アイドリングストップ車用第 4 世代および第 5 世

代の M-42 鉛蓄電池を搭載した A 社製アイドリングストップ車にて実車走行試験をおこなった．搭載期間

0.5 s
Repeat of 10 times

は 10 ヶ月，走行距離は 2200 km とほぼ同等の履歴

Repeat of 2 times
Discharge

Fig. 5

実車での効果確認

2h50 s

250 A

第2号

ことから，第 5 世代で導入した新技術はサルフェー

Temp.: 10 ℃Charge

第 13 巻となるよう試験した．回収時の開回路電圧は，第 41 cycle世 代 で 12.29 V で あ っ た の に 対 し， 第 5 世 代 で は12.40 V と高い電圧を維持しており，第 5 世代の方がProfile of accelerated sulfation test.

より高い充電状態であった．また，内部抵抗は実車試
験前にはそれぞれの世代で 5.3 mΩ で等しかったが，Discharge voltage at 250A / V

実車試験後では，第 4 世代で 7.2 mΩ，第 5 世代で 6.211.0mΩ と，第 5 世代では内部抵抗の増加が抑制されて10.5いた（Table 2）．Fig. 8 に実車走行試験後の負極板内10.0部の SEM 像を示す．硫酸鉛の形態は大きく異なって

9.5
9.0

Table 2 Internal resistance (AC-IR) and open circuit
voltage (OCV) of 4 th and 5 th generation M-42 typelead-acid batteries before and after field driving test.
The battery type is shown in standards of Battery
Association of Japan (SBA S 0101 : 2014).

8.5
4th generation

8.0

5th generation

7.5
7.00100200300

400500

600

700

800

CyclesFig. 6 Sulfation accelerated test performance of 4thgeneration and 5th generation M-42 type lead-acidbatteries. The battery type is shown in standards ofBattery Association of Japan (SBA S 0101 : 2014).

4 thgeneration
5 thgeneration(a)

Before field
driving test
AC-IR /OCV / VmΩ
5.3
12.72

After field
driving test
AC-IR /OCV / VmΩ
7.2
12.29

5.3

6.2

12.73

12.40

(b)

Fig. 7 SEM image of negative plate after 300 cycles of accelerated sulfation test, (a) 4 th generation, (b) 5 th generation lead-acid batteries M-42 type. The battery type is shown in standards of Battery Association of Japan (SBAS 0101 : 2014).

19

GS Yuasa Technical Report2016 年 12 月

(a)

第 13 巻第2号(b)Fig. 8 SEM image of negative plate after field driving test , (a) 4 th generation, (b) 5 th generation M-42 typelead-acid batteries. The battery type is shown in standards of Battery Association of Japan (SBA S 0101 : 2014).

おり，第 4 世代では 10 µm 以上の大きな結晶の硫酸たび，第 5 世代アイドリングストップ車用鉛蓄電池鉛が確認されたのに対し，第 5 世代は 5 µm 以下の大の開発にあたり，（ⅰ）新カーボン技術の導入，及びきさの硫酸鉛が確認された．これは，4 項のサルフェー（ⅱ）負極活物質添加剤の最適化を実施した . その結ション加速試験と同様の傾向であった．これらのこと

果，市場でのアイドリングストップ車用鉛蓄電池の主から，市場での実車走行においても，第 5 世代で導要劣化モードである負極サルフェーションを著しく抑入した新技術はサルフェーション抑制効果があること制することができた．

がわかった .

6

今後，さらなる燃費規制や車両の電装負荷の増大にともない，アイドリングストップ車用鉛蓄電池に対すまとめる性能面・信頼面のニーズがますます高まっていくと考える．当社はこのようなニーズに応えるべく，さらなる開発を進めていく所存である．

当社は，これまでに Table 3 に示す通り，アイドリングストップ車用鉛蓄電池の開発を進めてきた . このTable 3 Development items in each generation lead-acid battery for idling stop system.
Items

Development history
1st Generation
2nd Generation[1st G][2nd G]
2009~2010~

Launched
Cell design(Increased surface area)
Optimized grid design
New additive forelectrolyte
Special processing negative grid
High density of positive
active material
New additive in positive
active material
Optimized additives innegative active material
Carbon technology

3rd Generation[3rd G]
2011~


4th Generation[4th G]
2012~


5th Generation[5th G]
2017~







: Improvement as compared with conventional batteries.
: Additional improvement as compared with .
: Additional improvement as compared with .

20

GS Yuasa Technical Report

文2016 年 12 月

献第 13 巻第2号(1)，7 (2009)．

7. 新井勇貴，堤誉雄，山口義彰，GS Yuasa TechnicalReport ，11 (1)，24 (2014)．

1. Japan Automobile Manufacturers Association，Inc

8. 新 井 勇 貴， 平 川 憲 治， 山 口 義 彰，GS Yuasa

Website，http://www.jama.or.jp/eco/earth/index.

Technical Report ，12 (2)，18 (2015)．

html
2. 矢野経済研究所 新世代アイドルストップシステム

9. 沢井研，舩戸貴之，渡邉仁，和田秀俊，中村憲治，塩見正明，大角重治，GS Yuasa Technical Report ，市場の徹底分析 2015.

3 (1)，12 (2006)．

3. 和 田 秀 俊， 細 川 正 明， 大 前 孝 夫，GS Yuasa

Technical Report ，9 (2)，16 (2012)．

10. 伴郁美，堤誉雄，山口義彰，GS Yuasa Technical

Report ，10 (1)，13 (2013)．

4. 一般社団法人 日本自動車工業会 2007 年度 乗用車

11. 濵野泰如，伴郁美，堤誉雄，山口義彰，GS Yuasa

市場動向 .

Technical Report ，11 (2)，31 (2014)．

5. 一般社団法人 日本自動車工業会 2015 年度 乗用車
市場動向

12. 電池工業会，アイドリングストップ車用鉛蓄電池
SBA S 0101 (2014)．

6. 秦公樹，沢井研，石本信二，近藤猛，鈴木基行，稲垣賢，大角重治，GS Yuasa Technical Report ，621