Review
総 説

12 Ｖ蓄電池とアドバンストソーラーホームシステム
Twelve-volt Batteries for Advanced Solar Home Systems
小槻勉＊

Tsutomu Ohzuku
Graduate School of Engineering, Osaka City University

Abstract
Twelve-volt lead-acid batteries for solar home systems are reviewed in order to understand why current solar
home systems consisting of a solar panel, battery controller, and 12 V lead-acid battery have not wildly spread inspite of extensive efforts toward the electrification of rural area worldwide during the past 20 years. The system
failures are mainly due to poor cycle life of 12 V lead-acid batteries for deep charge and discharge coupled withover-discharge especially in the rainy season. To cope with the problem, long-life twelve-volt lead-free batteriescapable to deep charge-discharge cycle and resistant against over-discharge are designed from a fundamental
point of views and the reality of 12 V lead-free batteries is discussed.

The first-generation 12 V lead-freebatteries consisting of five LAMO(Li[Li0.1Al0.1Mn1.8]O4)/LTO(Li[Li1/3Ti5/3]O4) cells connected in series and the secondgeneration consisting of four LiNiMO(Li[Ni 1/2Mn3/2]O4)/LTO cells connected in series are also highlighted foradvanced solar home systems.

Key words : Solar home system ; Lead-acid batteries ; Lithium insertion materials ; 12 V batteries

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はじめに充放電を繰り返すことがない用途に限って幅広く用いられている．深い充放電の繰り返しを必要とする電気

現在，容易に入手可能な蓄電池で 20，50，100，自動車用電源，ロードレベリング用蓄電設備，ソーラ

150 Ah クラスのものといえば，何といっても鉛蓄電ーホームシステム用蓄電池などへも 1970 年代の早い池である．150 年以上の歴史を誇る蓄電池で，自動時期に検討され 3，多くの改良が試みられたもののエネルギー密度が低い，深い放電深度 (DOD ; The Depth

車の起動用，据置用蓄電池としてなくてはならない汎用蓄電池であるof Discharge) でのサイクル寿命が短い，など未だに．特に単セル 2 Ｖの鉛蓄電池を 61, 2克服できない大きな壁に阻まれている．

セル直列接続した 12 V 蓄電池が一般によく知られている．世界で容易に入手できる 20 Ah 以上の容量の一方，エネルギーの有効利用に関する研究も 1970

汎用蓄電池は，12 V 鉛蓄電池以外にない．これらは年代から太陽光，風力，潮力，地熱など幅広く検討さ長い歴史の流れの中で鉛蓄電池の特長を活かして深いれてきた．それらの中で太陽光発電は，夜が明ければ＊大阪市立大学大学院

確実に電気を生み出し，その信頼性も高く，しかも設

工学研究科© 2013 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

置が容易なところから独立電源システムとして好適で

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あるとの立場からソーラーホームシステムが，村落電ネル，コントローラ，12 V 蓄電池，照明器具である．

化の迅速かつ有効な手段として多くの地域で導入が試地域によっては，用いる機器に保証を義務づけられるみられた．このソーラーホームシステムを必要とすることもあり，12 V 鉛蓄電池の場合には 3～5 年の保地域は，主にアジア，南洋州，アフリカ，南米などの証期間が一般的である．このような場合には，電力使地方村落部である．これらの地域では，電力系統への用時間の制限や，日々の充放電電気量に比べて容量のアクセス手段もなく未だに電気のない暮らしをしてい大きな蓄電池が選択される．照明器具も多くの場合，る．1980 年代よりソーラーパネル，コントローラ，ソーラーホームシステムに付随してきた照明器具がほ12 V 鉛蓄電池，簡単な照明器具の組み合わせで多く

とんどで，人々がマーケットで購入できるものは少なのソーラーホームが設置，運用されてきた．しかし，い．また，近年，携帯電話の普及に伴って，新設され12 V 鉛蓄電池の寿命が数ヶ月から 3 年と短く，頻繁るソーラーホームには携帯電話を充電するための端子に買い換えを余儀なくされるなど利便性に欠けるためが標準装備されている．オプションとして，DC/ACソーラーホームを巧く地域住民の生活の中に根付かインバータ，扇風機，ラジオ，白黒テレビなどがあり，せ，自立発展を促すことができないのが現状である．

ソーラーホーム設置時に必要な消費電流，ソーラーパ

また，電池寿命と必要な電気量を考えた場合，12 Vネルの出力および必要な蓄電容量から現地技術者がソ鉛蓄電池の容量は少なくとも 10 時間率の定格容量でーラーパネルと蓄電池を選択し，設置しているのが現

100 Ah が必要となる．その質量は，約 35 kg と重い．

状である．近年，一部に LED 照明の適用も見られるが，これ以上の大容量つまり重たい蓄電池は人の力で運ぶ

多くの場合，ソーラーランタン程度のものである．

ことが難しいためおおよそ 100 Ah の蓄電容量がソー

多くの地域で用いられているバッテリーコントロー

ラーホームシステム用 12 V 鉛蓄電池の上限である．

ラは，4 箇所に動作点がある．ソーラーパネルと蓄電

山岳地帯や島しょ国などでは物品輸送の束縛は更に厳池の接続を遮断する充電終止電圧は，通常 14.0～

しく，50 Ah クラスの 12 V 鉛蓄電池が好んで用いら

14.4 V，蓄電池と照明器具などへの接続を遮断する放れるのはこのためである．このソーラーホームシステ

電終止電圧は，11.5～11.8 V である．その他に充電ム用 12 V 蓄電池の研究・開発の難易度はそれ程高く終止電圧の約 1.5 V 低い電圧にパネルと蓄電池を再接ない．充電電流の最大値は，使用するソーラーパネル続する再充電電圧，放電終止電圧の約 1 V 高い電圧の出力にのみ依存し，放電電流の最大値は，使用するに蓄電池と照明器具などを再接続する再放電電圧が設照明器具などの消費電流によって決まる．また，蓄電定されている．この放電終止電圧 11.5～11.8 V は 12池は，人々が暮している 10～40 ℃の環境温度に静置V 鉛蓄電池を 5～10 時間率で用いた場合に有効に働され，昼に約 8 時間ソーラーパネルからの電流を受くものと考えられる．ただし，10 時間率の定格容量けて充電，夜に最大 8 時間照明器具などへの電力供試験の放電終止電圧は 11.5～11.8 V ではなく 10.2 V

給時に放電するという単純な日々の繰り返しである．

である．鉛蓄電池をソーラーホームに用いる場合，ただし，蓄電池寿命は長ければ長いほど良く，少なく10 時間率の定格容量に対して放電深度約 30％までのとも 10 年以上のものが望まれる．ソーラーパネルか使用が推奨されている．これはサイクル用途に設計さら供給される電気量は，その日の天候に依存し，夜間れた鉛蓄電池を放電深度 30％まで放電し，その後直に消費される電気量は，ほとんど天候に依存しない．

ちに充電するという連続充放電試験の場合には少なく

このことは，雨の続く季節（雨期）に蓄電池が必ず設とも 2000 サイクル，つまり 5 年間以上使用できる計値よりも過放電気味となるため 12 V 鉛蓄電池の場という技術的な裏付けから来ている．しかし，このサ合には，これが電池寿命を著しく害する主因となり，イクル寿命を確保するために放電深度を放電終止電圧結果として致命的であった．

で規制することは 12 V 鉛蓄電池の場合には難しく，そこで本稿では，これらの問題解決の一助となるよ

多くの場合，その他の手だてと共に電池寿命を少なくう現在行っている 12 V 非鉛系蓄電池の考え方についとも 5 年となるよう工夫されているが，このことがて述べる

24-9

利便性を欠くことにもなっている．しかも，1 日の充．

電電気量は，その日の天候に左右されるため，夕暮れソーラーホームシステムの構成になれば常に 12 V 鉛蓄電池が満充電状態になるとは限らない．また，雨や曇りの日には，夜間に使用する電力消費を控えようとする人々の心理が働き，このこ

ソーラーホームシステムの基本構成は，ソーラーパ

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3 ソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池の構成とがかえって鉛蓄電池に対して好ましくない結果となっている．
現在，ソーラーホームを構成するソーラーパネル，コントローラ，DC/AC インバータなどは，既に 10 年

ソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池を構成する使用が見込める水準に来ており，照明器具も DC/ACにあたっては，現在用いられている 12 V 鉛蓄電池にインバータの使用を考えれば，マーケットで容易に入準拠した特性であって，しかも利便性を損なわないた手できる高効率蛍光灯や LED の導入も視野に入る．

めには，現在設置されているコントローラでソーラー

この LED 照明は，消費電力も少なく高効率で既に 10ホームシステムが正常に作動することが少なくとも必年使用を見込める水準にある．唯一 12 V 蓄電池のみ要である．これらの条件を基礎研究過程で考慮すべきが未だに 10 年使用を見込めない．仮に日々の最大充項目として列挙すると

放 電 容 量 が 50 Ah (600 Wh) お よ び 100 Ah (1.2

1．作動電圧が，12 V 以上であること，つまり定格電kWh) の汎用 12 V 蓄電池（耐用年数 10 年以上）が圧 12 V と呼べること，あれば，現在ソーラーホームに設置されている 12 V

2．充電終止電圧 14.0～14.4 V で充電が完了するこ

蓄電池の交換時期に代替えするだけで今までの多くのと，課題が一挙に解消される．Fig. 1 に耐用年数 10 年以3．放電終止電圧 11.5～11.8 V で充分な電気量が供上の 12 V 蓄電池が実現した場合のアドバンストソー給できること，ラーホームシステムの概略図を示す．このアドバンス

また，ソーラーホームで特に雨期に問題となる蓄電

トソーラーホームシステムでは，DC/AC インバータ池の過放電に対してーが標準装備され，交流に変換されているので電力積4．放電終止電圧 11.5～11.8 V に到達後，仮に機器算計の導入も可能で，今までのようにソーラーホームの自己消費電力によって放電が持続し，過放電状専用の照明器具などを用いる必要はなく，マーケット態となった場合においても蓄電池性能に影響をおで入手可能な汎用高効率照明器具，液晶カラーテレビよぼさないこと，などを状況に応じて購入し，用いることができる．つ

さらに毎日 8 時間充電と 8 時間放電を繰り返してまり必要最小限の束縛条件を理解すれば経済状況に応

10 年後の容量維持率 80％，すなわち耐用年数 10 年，じてシステムの自己消費電力を除いた電気は，ユーザを基礎研究段階で見通すためには，ーが自由に使えるという考え方である．

5．12 V 蓄電池に用いる活物質が，過酷な 3600 サイクル試験に耐えること，6．12 V 蓄電池のサイクル時，自己放電時および経時的な充放電容量減衰の機構が明らかにされ，10 年使用が見込める道筋が示されていること，となる．これらの中で耐用年数 10 年の実証は容易ではなく，実際のフィールドテストを待たなければならないが，項目 5 と 6 である程度見通せるものでなければならない．その他の項目として汎用蓄電池として具備すべき条件があるが，ここでは 12 V 蓄電池を構成するために必要な項目のみを取り扱う．
まず，現行の 12 V 鉛蓄電池の最大の難問であった
項目 4 の放電状態での安定性を確保するためにリチFig. 1 An illustration of an advanced solar home system consisting of a solar panel, controller, 12 V battery, and DC/AC inverter. Daily maximum rechargeable capacity of 12 V battery is 50 or 100 Ah, so that amaximum of 600 Wh or 1.2 kWh can be used for daily
consumption of electricity. Any electric or electronicequipment available in a market can be used undersuch a condition that the daily electricity to be able toconsume is limited.

ウムイオン蓄電池の動作原理に着目した．リチウムイオン蓄電池は，新しく組み上げた電池の起電力は，ほぼゼロである．この状態で保存しても基本的には何も起こらない．むしろ蓄電池の保存状況としては，好ましい状態である．したがって，リチウムイオン蓄電池の動作原理を用いることによって難題とされていた項目 4 は難なく突破できそうである．このリチウムイ

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LTO と LiFePO415, 16 の組み合わせからなる単セル約オン蓄電池に用いられる電極材料の基礎研究は広範囲-に行われ，今では活物質の選択肢は広い 10 12．これら

2 V の蓄電池は，正極，負極共に強靱でしかも安心しの材料を巧く組み合わせることによって項目 1 から 3て使えるところから長寿命蓄電池として非常に魅力的に対処できそうである．しかし，項目 5 の長寿命のである．Fig. 3 に 12 V 構成とした時の充放電曲線の可能性を秘める材料となると報告されている多くの材形状を示す．LTO/LiFePO4 セルを 6 セル直列接続し料の中でもある程度限定される．しかも項目 5 およた時の電池の作動電圧は，Fig. 3 のように全領域でび 6 の 10 年使用までも見込める材料となると今のと12 V 以下となるため項目 1 を満たさない．したがっころ無歪インサーション材料のリチウム・チタン酸化て，ソーラーホーム用 12 V 蓄電池に適合しない．

12 V 蓄電池を具体化するために負極材料にこの LTO

各々材料の完成度も高く，個性豊かで多くの特長を備

13, 14．そこでまず物 (LTO ; Li[Li1/3Ti5/3]O4) のみである

LiCoO2，LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2，LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 もを選択し，この LTO との組み合わせで項目 1 から 3-

えた魅力的なリチウムインサーション材料である 17 20．

までを満たす正極材料を探索した．

これらを LTO と組み合わせると 5 セル直列接続する
ことでほぼ 12 V と呼べる蓄電池を構成することがで

4 12 V 非 鉛 系 蓄 電 池 (Twelve-volt Leadfree Batteries)

き，長寿命も充分期待できそうである．これらの正極材料は，すべて層状化合物であるため項目 5 を加味してあらかじめ正極の上限電圧が 4.1 V vs. Li となる

正極材料の探索にあたっては，
項目 5 と 6 を考慮し，よう LTO 負極規制とすることで項目 2 を満たしてい現時点で材料の完成度が比較的高く，しかも反応機構る．特に LTO と LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 の組み合わせかが明らかなリチウムインサーション材料を中心に検討

らなる 12 V 蓄電池は，その特徴的な電位形状から残した．Fig. 2 に条件設定次第で 10 年使用の可能性を存容量を容易に電圧でモニターすることができるので秘める正極材料の作動電圧を示す．12 V 蓄電池は 2，ソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池として好適で2.5，3，4 V の単セルを各々 6，5，4，3 セル直列接ある．しかし，これらの層状化合物は Fig. 4 から 6続することによって構成することができる．現行のより明らかなように項目 3 をクリアすることが難し

12 V 鉛蓄電池は，2 V の単セルが 6 個で構成されてく前述のソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池に合いることから，2.5 V セルが 5 個で構成される 12 V致しない．

蓄電池を第 1 世代，3 V セル 4 個の組み合わせを第 2Fig. 7 に LTO とリチウム・アルミニウム・マンガ

世代，4 V セル 3 個の組み合わせを第 3 世代と呼び，ン酸化物（LAMO; Li[Al0.1Li0.1Mn1.8]O4）の組み合わせ鉛蓄電池と識別するために非鉛系蓄電池と呼ぶことにからなる 2.5 V セルを 5 直列接続することによって構する．

Fig. 2 Potential profiles of lithium insertion materials
selected for 12 V batteries. The materials are examined in nonaqueous lithium cells.

Fig. 3 Potential profile as a function of the state ofcharge (SOC) for a possible 12 V battery consisting of
six LTO / LiFePO4 cells connected in series.

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成した 12 V 蓄電池の充放電曲線の電位形状を示す．

この LTO/LiNiMO セルも 3600 サイクルを見通すこ

この正極材料の LAMO は，過酷な 3600 サイクル試とができる電池系の一つである 24．第１世代に比べて験にも耐える材料である 21．図より明らかに項目 1

正極材料およびその電極に改良の余地が残されているから 5 の全てを満足していることが分かる．これがものの項目 6 を除く全ての項目をクリアしている．

第１世代 12 V 非鉛系蓄電池の具体的な一つの形であ

これが具体的な第２世代 12 V 非鉛系蓄電池の一つのる．Fig. 8 に LTO とリチウム・ニッケル・マンガン形である．LTO，LAMO，LiNiMO 共にスピネル類縁酸化物（LiNiMO; Li[Ni1/2Mn3/2]O4）の組み合わせ

結晶の強固な 3 次元骨格を持つのでこれらの材料は，からなる 3 V セルを 4 直列接続することによって構各々充電末期および放電末期に約 1 V の鋭い電圧変成した 12 V 蓄電池の充放電曲線の電位形状を示す．

動があり，これを利用して直列接続時の 12 V 蓄電池

Fig. 4 Potential profile as a function of SOC for apossible 12 V battery consisting of five LTO/LiCoO2cells connected in series. SOC 100% corresponds to130 mAh g-1 based on the weight of LiCoO2 for thepositive electrode.

Fig. 6 Potential profile for a possible 12 V battery
consisting of five LTO/LiCo 1/3Ni1/3Mn1/3O2 cells connected in series. SOC 100% corresponds to 140 mAhg-1 based on the weight of LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 for thepositive electrode.

Fig. 5 Potential profile for a possible 12 V battery
consisting of five LTO/LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2 cells connected in series. SOC 100% corresponds to 175 mAh
g-1 based on the weight of LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2 for thepositive electrode.

Fig. 7 Potential profile for a possible 12 V battery
consisting of five LTO/LAMO cells connected in series.
SOC 100% corresponds to 105 mAh g-1 based on theweight of LAMO for the positive electrode.

22, 235

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第 10 巻第2号の組み合わせの第 2 世代で 120～160 Wh kg-1 を期待している．単セル 4 V を 3 直列接続することによって構成する第 3 世代 12 V 非鉛系蓄電池は，まだ基礎研究の初期過程のため何ともいえないが，180～220 Wh kg-1 を目指している．
1.5 V 級の電池であれば，マーケットで容易に同じサイズの汎用電池を入手することができる．ルクラン
シェ乾電池で充分というユーザーもいれば，不足という意見もある．不足を感じる場合には，塩化亜鉛マン
ガン乾電池，アルカリマンガン乾電池をユーザーが試して，良ければ使う．一次電池では，もったいないというユーザーには，ニッケル水素アルカリ蓄電池を選Fig. 8 Potential profile for a possible 12 V battery
consisting of four LTO/LiNiMO cells connected in series. SOC 100% corresponds to 135 mAh g-1 based on
the weight of LiNiMO for the positive electrode.

択する余地すらある．つまりユーザーにとっては，たとえば単三サイズを使った機器があり，この機器を動かすために便利な単三サイズの電池が必要なのである．言い換えればユーザーにとっては，電池の化学よりも電池が用途，要望にかなうかどうかの方が重要なのである．現在 12 V 非鉛系蓄電池を構成するのにリの充電終止電圧の検出も容易である．また，これらのチウムインサーション材料を用いている．しかし，電電池は，通常のサイクル試験では材料損傷による容量荷担体はリチウムイオンに限ったことではなく，ま劣化は全くといって良いほどなく，充放電容量の減少
は，正極と負極のリチウムインサーション反応以外のた，電解質も溶液に限定するものではない．12 V 鉛

副反応による正極と負極の充電状態 (SOC; The State

蓄電池に準拠した電気特性のみが重要なのである．こof Charge) のズレによるものであることが徐々に明らのような意味でリチウムイオン蓄電池と呼ばないで第かとなってきている ．さらに，この副反応速度を巧1 世代（5 直列），第 2 世代（4 直列），第 3 世代（3く調整することにより充放電容量の減少を食い止める直列）12 V 非鉛系蓄電池と呼んでいるのである．つ

方法も提案され，10 年使用が見込める道筋も示され

まり，12 V 蓄電池の場合も汎用 1.5 V 級電池と同様始めている．に鉛蓄電池，第 1 世代，第 2 世代非鉛系蓄電池を使255ってみて「利便性」と「お得感」で適材適所の用途がおわりにユーザーによって見出され，さらにはそれぞれの 12V 蓄電池の特長を生かした新たな用途，たとえば一般
道を 8 時間連続運転できる電気自動車や夜間電力を本稿では，ソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池備蓄し必要に応じて毎日使う独立分散型ロードレベリについて述べた．蓄電池を評価する際にエネルギー密ングなどへの用途もユーザーから生まれるものと期待度という表現がよく用いられる．しかし，ここで述べたソーラーホームシステム用 12 V 蓄電池の場合には，している．そのためにも基礎研究から応用研究，さら(100 Ah) の 蓄 電池であれば毎日最大 50 Ah ま た はな流れが望まれる．には要素技術を含む 12 V 非鉛系蓄電池開発への円滑

そ れ ほ ど 重 要 で は な い． そ れ よ り も 12 V-50 Ah

100 Ah の充放電サイクル使用で耐用年数 10 年以上文という蓄電池寿命の方が重要なのである．ただし，設置時の蓄電池輸送を考えれば 12 V-100 Ah の蓄電池の重さが現行の半分以下のものが望まれるので，この献

1. G. W. Vinal, Storage Batteries, John Wiley & Sons,

要望をエネルギー密度に換算すると，エネルギー密度Inc., New York, 1951.

70 Wh kg 以上（3600 サイクル，10 年使用時）が2. 吉沢四郎

望ましいという表現となる．なお，LTO と LAMO の1975.

-1

監修，電池ハンドブック，電気書院，組み合わせからなる第 1 世代 12 V 非鉛系蓄電池のエ

3. Y. Miyake and A. Kozawa, Editors, Rechargeable

ネルギー密度は，70～100 Wh kg ，LTO と LiNiMOBatteries in Japan, JEC Press, Cleveland, 1977.

-1

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第 10 巻第2号

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