元素・原理からとらえる二次電池の特徴とこれから

横浜国立大学工学研究院

荒木拓人

平成24年度横浜市 地球温暖化対策事業者協議会 総会 講演会

自己紹介


荒木拓人 （アラキ タクト）
260

255
y axis (um)

2003年3月 博士（工学）取得 於 京都大学 機械工学専攻
・マイクロスケールにおける熱流動特性 マイクロ加工

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2003年7月 ポスドク カリフォルニア大学LA校
・マイクロ・ナノ加工による撥水性制御 マイクロ加工手法
2004年1月 豊橋技術科学大学 電子電気工学系 助手
機械－電気-化学の学際領域の研究に着手
2007年4月 横浜国立大学 現職
・SOFCシステムの性能・サイクル解析
・固体高分子形燃料電池内の熱物質輸送と発電特性
・二次電池の発熱・制御特性，モデリング平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

x axis (um)10

目次
二次電池への期待
 二次電池導入の社会的背景，助成

再生可能エネルギー固定買い取り制度
 電力系統の安定と蓄電池
 二次電池への国の支援策
 省エネ法の改正


各種二次電池の原理，特徴
電池の構成要素 鉛蓄電池 ニッケル水素電池
 リチウムイオン二次電池


平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

講演資料最新版：
www.trans.me.ynu.ac.jp

二次（充）電池への期待
ここ15年ほどで，二次電池は材料開発の高度化と制御エレクトロニクスの発展によって性能・使い勝手が急速に向上
一次電池の置き換え
負荷平準，蓄電，停電対策用途の広がり平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会• 使い捨て資源・エネルギーの節約 Reuse• 適用範囲の拡大• 自然エネルギー導入対策• 契約電力の削減，ピークカット• 不安定な電力供給• 電気自動車，自転車，• IT機器（携帯電話，ノートPC）• エレベータ，クレーン再生可能エネルギーの固定価格買取制度■制度の仕組み ～スマートグリッドへ向けて～

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会【出典】経済産業省資料「再生可能エネルギーの固定価格買い取り制度について」（2011年11月）

（注）この他に、「バイオマス発電」が、燃料の種類毎に定められている。（買取期間20年、全量買取）
平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

電力系統の安定性と二次電池の必要性• 既に，時間帯・地域によっては太陽光発電量が余剰• 2～3年後には系統・国全体で余剰時間帯が生じるとの予想も• 過去は北電では風力を時間帯によって買い取り拒否，東北電力は風力に二次電池併設を義務化していた．
平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

目次
二次電池への期待
 二次電池導入の社会的背景，助成

再生可能エネルギー固定買い取り制度
 電力系統の安定と蓄電池
 二次電池への国の支援策
 省エネ法の改正


各種二次電池の原理，特徴
電池の構成要素 鉛蓄電池 ニッケル水素電池
 リチウムイオン二次電池


平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

国家戦略としての位置づけ ～ 課題解決型産業／グリーン・イノベーション ～プロジェクトチーム：1月6日設置、7月中に策定

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

出典：「新産業・新市場の創出に向けて」平成24年3月2日（枝野経済産業大臣）

《参考》省エネに関連する国の支援策■一覧表（平成24年4月19日現在）
事業名

募集期間

補助率等

エネルギー管理システム(BEMS・HEMS)
導入促進事業費補助金（ＢＥＭＳ）：4月中旬～（ＨＥＭＳ）：平成24年4月19日～（ＢＥＭＳ導入支援）
1/2以下、1/3以下（ＨＥＭＳ導入支援）定額１０万円

定置用リチウムイオン蓄電池
導入支援事業費

平成24年3月30日～
平成26年1月末

1/3以下
上限額：（個人）100万円 （法人）1億円

エネルギー使用合理化事業者
支援補助金

平成24年4月下旬～１カ月程度

1/3以内

エネルギー使用合理化事業者支援補助金（天然ガス分）

平成24年4月20日～
平成24年6月6日

1/3以内

高効率ガス空調設備
導入促進事業費補助金

平成24年4月2日～

1/8以内

ガスコージェネレーション推進事業費補助金

平成24年4月20日～
平成24年6月15日

民間団体：1/3以内
自治体等：1/2以内民生用燃料電池
導入支援補助金

詳しくは実施機関ＨＰ等より確認してください（従来型給湯器との価格差）×1/2＋工事費×1/2、上限70万円～平成24年12月28日

CO2排出削減量について認証された
国内クレジット1トンあたり1,500円の助成金

国内排出削減量認証制度
活性化事業（低炭素型設備導入後、CO2排出削減量について認証された国内ｸﾚｼﾞｯﾄtあたりに助成金交付）

省エネ対策
導入促進事業費補助金

実施機関

一般社団法人環境共創イニシアチブ（SII）

一般社団法人 都市ガス振興センター

一般社団法人燃料電池普及促進協会

一般社団法人低炭素投資促進機構※排出削減見込量が年間50t-CO2以上となることが申請の要件。

随時受付

専門家を無料で派遣

一般財団法人省エネルギーセンター

出典：関東経済産業局HP
http://www.kanto.meti.go.jp/seisaku/enetai/2syoene_hojyo.html

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

助成対象二次電池システムの例Panasonic

4.65kWh(2kW)
約122+67=189万円

Sony京セラ14.4kWh(2.5kW)
約445万円

2.4kWh(1kW)
約200万円
停電時瞬停無し

金額は参考値，事業用については別途見積が必要

参考：日産 Leaf
24kWh(80kW)376万円(-78万円)+leaf to home 48-15=33万円
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省エネ法改正

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会【出典】経済産業省：今後の省エネルギー政策の展開について（討議用メモ）平成24年1月

《参考》省エネ法改正のポイント■「ピーク対策」の新たな評価 具体的な制度設計案（抄）

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会【出典】経済産業省：今後の省エネルギー政策の展開について（討議用メモ）平成24年1月

目次
二次電池への期待
 二次電池導入の社会的背景，助成

再生可能エネルギー固定買い取り制度
 電力系統の安定と蓄電池
 二次電池への国の支援策
 省エネ法の改正


各種二次電池の原理，特徴
電池の構成要素 鉛蓄電池 ニッケル水素電池
 リチウムイオン二次電池


平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

これからのお話の内容
現状の二次電池は，まだどれも完璧で無く用途によって使い分け，特性を知って使いこなす必要がある．

現在の二次電池技術は日進月歩，→ 最新の知識もすぐに陳腐化しかねない
また，電気化学の用語は他分野の技術者には難解．
→ 酸化・還元，卑・貴，アノード・カソード
現在使われている二次電池の特徴について（電気）化学以外の分野の技術者の方に，個別的では無く，統一的なイメージをつかんでいただく事を目標にする．
つまり，あまり細かい部分に立ち入らない．
切り口はいろいろあると思うが，今回は元素・周期表
平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

主に活躍する元素たち
電子を手放したい！

電子が欲しい！

安定！

重い

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

図の引用
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%A8%E6%9C%9F%E8%A1%A8
http://ja.wikipedia.org/wiki/WP:CC-BY-SA

化学電池の構成要素
マンガン電池の例
主な構成要素は３つ+α

電流

e－e－

正極

負極

MnO2

Zn2+
H+Zn

MnOOH

正極
負極
電解質

電解質から電子を受け取る
電解質へ電子を送る
イオンは通すが電子を通さない＋α:セパレータ, 減極剤

正極・負極
イオン化傾向（標準電極電位）が差があるもの
であれば何でも良し．ほぼ無限の組み合わせ．
充電時には正負極とは呼びにくいが，放電時を基準に呼ぶ．

電解質

電解質H2O, 2Cl－など, Zn2+

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イオンを通して電子を通さないものであれば良し．
典型的には水．

二次電池
・一次電池と同様に可逆反応で蓄電池（二次電池）を構成できる組み合わせは多い．
・ただし，安全性，耐久性などの点で実用的な蓄電池の組み合わせは多くない．
・当然，ガスが発生する電池は難しい．
・Ni+→Niなども電極の構造が変化するため使いにくい．

現状では3種にほぼ集約．
鉛蓄電池，ニッケル水素， リチウムイオン

NaS電池

今日は上記3種に蓄電用として注目を浴びるNaS電池を紹介
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鉛蓄電池
メリット

放電時
電流

2e－2e－

正極

負極

PbO2

Pb

PbSO4

SO424H+・歴史がありコストが安い・リサイクルルートが確立
・水系にしては電圧が高め
・常に満充電にしておく用途に適する・Ca, Sb添加，密閉などによって寿命も改善

デメリット

SO42PbSO4

電解質 2H+ + SO42-・電極がPbのため重い・体積密度も高くない
・放電していくと負極のPbSO4が硬い結晶になるサルフェーションが起きやすい．
深い放電は苦手．
（ディープサイクルタイプもあるが素性は同じ
100%充放電では300回, 50%でも600回程度）

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主に活躍する元素たち
電子を手放したい！

電子が欲しい！

安定！

重い

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ニッケル水素(Ni-MH)電池
メリット

放電時
電流e－e－

正極

負極

NiOOH

MHH2O

－
Ni(OH2) OH

OHH2O・NiCd電池よりも3倍程度高容量，有害物質を含まないことからNiCd電池をほぼ置き換えている．
・安全性が高く（不燃），HV車ではいまだ主流．
・乾電池とほぼ電圧互換であり，置換可能．
・自己放電が欠点であったがほぼ克服．
・充放電サイクルが1000回を超えるものもデメリット
M

電解質 K+ + OH-

M：水素吸蔵合金（希土類La+遷移金属Ni5）が典型
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・体積，重量容量がLi系にかなわない．
・大電流・電力はやや苦手．
・継ぎ足し充電すると電圧が低下する
メモリー効果がある．
深い充放電が良い．鉛と逆．
・やや過充電，過放電に弱い

Ni-MH電池で活躍する元素たち
電子を手放したい！

電子が欲しい！

安定！

重い

平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

リチウムイオン二次電池（活物質）
放電時リチウムイオン電池はそれまでの2次電池と多くの点で異なる画期的な電池．
1990年代に日本で実用化

電流e－e－

正極

負極

Li CoO2

Li6C
Li+6C

CoO2

Li活物質
・Liは反応性が極めて高い単体で最大の電極電位高い電圧，多い容量

・原子番号が小さい
密度が低い，高い重量容量
http://ja.wikipedia.org/wiki/WP:CC-BY-SA

有機電解質
CoO2のところにNiO2 MnO2なども
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・厳密には常にイオンの状態に近い
高いサイクル性能

Li-ion電池で活躍する元素たち
電子を手放したい！

電子が欲しい！

安定！

重い

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リチウムイオン二次電池（電解質）
放電時

有機電解質

電流e－e－

正極

負極

Li CoO2

Li6C

・水は1.5Vくらいから電気分解されてしまうので，それ以上高い電圧では使えない．
普通の電池は1.5V以下．
・リチウム塩(LiPF6)と溶媒(エチレンカーボネート)などからなる．
・本来はリチウムの移動抵抗は大きいが，薄型化などでかなり克服．

Li+6C

CoO2
有機電解質

CoO2のところにNiO2 MnO2なども
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・電解質を液体からポリマーを用いてゲル化した
リチウムポリマー電池の使用も増えてきた．
炎上しにくいため外装をレトルト的な簡易にできコスト減，軽量，高い形状の自由度が期待できる．
Appleはほぼこれ．
逆に規格化が難しい．

リチウムイオン二次電池
メリット
・現状で最も高容量（質量的にも体積的にも）・単セル電圧が高く，電気的な取り扱いが楽．
・リチウムは基本的にイオンに近い状態で金属リチウムよりは安全．
・メモリー効果が無く，継ぎ足し充電可能．
・自己放電が少なく充放電効率が高い．
・Coを除けば高価な材料は使わない．
将来的には低コスト化が可能？

デメリット
・電解質が有機物で可燃．
・運転域と危険域が近く，特に組電池では精密な充放電が必要．→高コスト．
・満充電近くで劣化が進みやすく，停電対策など満充電での待機が苦手．
・現状では高コスト
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NaS電池放電時
電流e－e－

溶融させた状態を使う
300℃
電解質はセラミック

負極

正極

Na2Sx
NaNa+
S

固体電解質：セラミック

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日本ガイシ株式会社 Web サイトより引用 http://www.ngk.co.jp/product/nas/index.html

NaS電池で活躍する元素
電子を手放したい！

電子が欲しい！

安定！

重い

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NaS電池メリット

放電時・Liに似てNaは高活性，高電圧2.1V

電流e－e－
負極

正極

Na2Sx

・構成部材，反応がシンプル（相変化，希釈無し）
で副反応が少なく耐久性に優れる．
15年4500サイクル以上．
・大型化が容易．材料も安く，基本コストは低い．
⇔保温の点から小型化は難しい
・自己放電もほとんどなし．
・鉛蓄電池の3倍の体積容量

Na

Na+

デメリット
S

固体電解質：セラミック

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・室温ではNaは固体のため300℃程度に保温が必要．
・Naは高活性のため，安全対策が必要．
・保温・加温にエネルギーが必要でシステム効率はやや低い．75%程度．
・現在，メーカーが1社．

今後の二次電池，電力貯蔵の発展
・基本的にはLi系が高容量化を牽引か．
金属Li負極，Li空気電池，LiS電池
安全対策，低コスト化

・定置用としては，水素併給も含め燃料電池，水電解系も候補
PEFC高圧水電解，SOEC水蒸気電解・レドックスフロー電池
・電気二重層キャパシタ
・無接点充電などを組み合わせた使い勝手向上，用途の広がり．
平成24年度横浜市地球温暖化対策事業者協議会総会

NEDOロードマップの一部(H22年5月)

引用元：http://www.nedo.go.jp/

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