新エネルギー
リチウムイオン電池応⽤・実⽤化先端技術開発事業

常識を覆す発想で⾰新的なリチウムイオン電池を開発
株式会社東芝
取材︓ September 2018

次世代⾃動⾞の普及拡⼤のために地球温暖化問題の解決には、CO 2 の排出抑制が必須です。運輸部門では、ガソリン⾞から電気⾃動⾞（EV）やプラグインハイブリッド⾃動⾞（PHEV）など次世代⾃動⾞への早期転換が求められています。そこで課題となるのが、現在のEVを駆動するリチウムイオン電池の⾼エネルギー密度化、安全性の向上、低コスト化などです。 株式会社東芝は、動作不良の⼀因となるリチウム⾦属の析出が発⽣しづらい「チタン酸リチウム（LTO）」を負極材に使うことにより、極めて⾼い安全性を備えたリチウムイオン電池「SCiB™」を2007年に開発しました。さらに市場の要請が強い「⾼エネルギー密度化」や「⾼出⼒化」に対して、2012年からのNEDOプロジェクト「リチウムイオン電池応⽤・実⽤化先端技術開発事業」に参画し、正極と負極の接触防⽌のためのセパレータの薄膜化などによって、⾰新的な⼆次電池（蓄電池）の実⽤化に取り組み、2015年に「23Ahセル」、2016年に「10Ahセル」の開発、実⽤化に成功しました。

価格競争が激化、⼀度は事業から撤退
リチウムイオン電池が登場したのは、1990年代初めのこと。携帯電話やノートパソコン⽤に⽋かせない、⼩型軽量で充電可能な⼆次電池として開発されました。東芝も1992年に合弁会社を⽴ち上げ、リチウムイオン電池の量産に乗り出します。しかし、技術開発競争において最初は⽇本メーカーが優位に⽴っていたものの、海外メーカーとの激しい価格競争が起こり、2004年にやむを得ず事業から撤退しました。
当時、研究開発センターで新しい電池材料の開発に取り組んでいた、舘林義直さんは「我々はわき目もふらず研究に取り組んでいるのに、どうして撤退しなければならないのかと悔しい思いでした。ただ、当時の研究所メンバーが⼀丸となって新しい材料の電池の製品化を目指して、細々とでも研究を続けたことが後の成果につながりました」と振り返ります。

世の中にいまだかつてなかった製品をつくる
リチウムイオン電池を巡る競争環境は激化する⼀⽅でしたので、舘林さんたちは再び市場に参戦するため独⾃の戦略を取ります。
「単にエネルギー密度だけで勝負するのではなく、他の性能で抜きん出た製品を開発する。“世の中にいまだかつてなかったリチウムイオン電池”を合⾔葉に開発に取り組みました。その結果、負極材として、従来の⿊鉛などの可燃性の炭素系材料に替えて、『チタン酸リチウム（LTO）』を採⽤しました」（舘林さん）
LTOには、安全⾯に⼤きなメリットがあります。その理由は、そもそもLTO⾃体が燃えないセラミック素材であることと、リチウム⾦属の析出が起こらないため、析出した⾦属がセパレータを貫通し正極と触れることによる内部短絡（ショートすることによる動作不良）が⽣じないことです（図1）。しかし、当初は⼆次電池として⼗分な⼤電流性能を得られなかったた
め、LTOを使ったリチウムイオン電池は、ソーラー腕時計⽤電池などのわずかな電流を必要とする⽤途でしか使⽤されていませんでした。

「各材料の配合⽐率の組み合わせが性能を左右します。膨⼤な変数の組み合わせを、少しずつ変えながら最適解を求めるのは、ひたすら根気の求められる作業です。リチウムイオン電池撤退前から始めて、約2年かけて取り組んでいた研究の成果がようやく出ました」と、開発に⾄るまでの道のりを舘林さんは振り返ります。

図1 リチウム⾦属（Li）の析出による内部短絡が発⽣しづらいチタン酸リチウム（LTO）（資料提供︓東芝）

2007年、苦労のかいあって完成した「SCiB™」は、画期的な性能を持つリチウムイオン電池となりました。従来の炭素粒⼦に⽐べ、LTO粒⼦内のリチウムイオンの移動（拡散）が速くなり、⼊⼒（充電）・出⼒（放電）時間が短縮できたのです。安全性を確保しながら⼤電流での充放電が可能になりました。
この当時、通常のリチウムイオン電池が充電に1時間以上かかるところ、LTOを使った「SCiB™」は5分で容量の90％までの急速充電を可能にしました。また、約3,000回の充放電後も90％以上の容量を維持、約5,000回の繰り返し充放電を可能とする⻑
寿命に加えて、－30℃の低温環境でも⼗分な放電が可能になりました。

要素技術に磨きをかけて、さらなる⾼性能化へ
⻑寿命、⾼い安全性、急速充電を特⻑とする「SCiB™」は、リチウムイオン電池の中で独⾃のポジションを確⽴。⽤途に応じてさまざまなタイプがあるうちの、⼤容量タイプの「20Ahセル」と、短時間に⼤電流の充放電を可能にする⾼⼊出⼒タイプの「2.9Ahセル」の2タイプを製品化しました。その性能が評価され、三菱⾃動⾞⼯業株式会社には「20Ahセル」が2011年に、スズキ株式会社ではアイドリングストップ⽤として「2.9Ahセル」が2012年に採⽤されました。
EVやPHEVの普及に伴い、さらなる⾼エネルギー密度化、⾼出⼒化そして低コスト化などへのニーズは⾼まるばかりです。舘林さんたちは新たな課題に⽴ち向かいます。

内部短絡が起こらない安全性が「セパレータの薄膜化」を可能に「⾼エネルギー密度化」や「⾼出⼒化」に対して、2012年からのNEDOプロジェクト「リチウムイオン電池応⽤・実⽤化先端技術開発事業」に参画し、開発を加速しました。さらなる⾼エネルギー密度化のために着目されたのが「セパレータの薄膜化」でした。セパレータを薄くできれば、同じ電池厚さの中で電極を巻ける回数が増え、⾼密度化できるためです。
セパレータの最も重要な役割は、絶縁体として正極と負極の接触による内部短絡を防⽌することです。⼀⽅、負極材にLTOを採⽤している「SCiB™」では、リチウム⾦属が析出しないので析出による内部短絡がそもそも起こりません（「なるほど基礎知識」参照）。

「もともと『SCiB™』のセパレータは他社製品と⽐べて薄かったのですが、薄くすればその分、強度が弱くなってしまう。製造に耐えるそれらのバランスを考慮すると選択肢は限られてきます。数々の実験を重ねて従来の7割まで薄くすることができました」と、セル開発を⼿がけた⼭本⼤さんは説明します。
主にセパレータの製造に耐える薄膜化を進めたことにより、2015年、⼤容量タイプの新しいラインナップとして「23Ahセル」が製品化されました。この製品は、海外の急速充電式EVバスをはじめ、変電所の⼤規模蓄電設備に採⽤され、再⽣可能エネルギーによる電⼒の需給バランスを調整するシステムとして写真1 「23Ahセル」が搭載された蓄電池システムが納⼊された東北電⼒株
式会社南相⾺変電所（写真提供︓東芝）稼動しています（写真1）。

NEDOの⽀援により実⽤化への開発が加速「⾼出⼒化」に向けて、すでに製品化されていた⾼⼊出⼒タイプの「2.9Ahセル」を「10Ahセル」へ容量を増やすことに取り組みました。容量を増やすためには、シート状になった⻑尺の電極を幾重にも巻いて電極⾯積を増やします。

電極シートを50周以上の巻き重ねた結果、問題となったのはリードと電極（タブ）の溶接でした（図2）。枚数を増した電極（タブ）にリードを溶接するためには、これまでよりハイパワーな溶接装置が必要です。また、⻑尺の電極を量産するためには、スラリー状（液体中に微細な個体粒⼦が浮遊している状態）の電極を薄くかすれずに⾼速塗布する装置の開発も必要となりました。
「10Ahセル」の実⽤化を担当した村司泰章さんは「NEDOの⽀援により、新しい装置を導⼊して加⼯法を新規に開発しました。そこから量産体制に⼊るまでには、社内の技術センターの⼒も借りながら、何度もテストを繰り返しました」と語ります。
図2

SCiB™の構造。⻑尺の電極シートとセパレータを幾重にも巻き、正負極それぞれの電極（タブ）と端⼦につながっているリードを溶接する

主にリードと電極の溶接や電極スラリーの⾼速塗布の開発を進め、さまざまな試⾏錯誤の末、「10Ahセル」は2016年に製品化を果たしました。

この「10Ahセル」は、2017年にスズキの新型ワゴンRに搭載されました。「10Ahセル」は、短時間にストップ＆ゴーを繰り返すハードな使い⽅に最適で、回⽣ブレーキとモーターアシストを組み合わせた「マイルドハイブリッド」に活⽤されます。マイルドハイブリッドは、減速時に発⽣するエネルギーを電⼒に変換し、変換した電⼒をバッテリーに充電。蓄積した電⼒をエンジンのサポートに使⽤します（写真2）。
「2.9Ahセル」と⽐べ、⼤幅に容量を増やし⼊出⼒性能（単位時間に⼊出⼒できる電気の量）も⾼めた結果、モーターによるクリープ⾛⾏（アクセルを踏まなくても低速で進むこと）が可
写真2 「10Ahセル」が搭載され、「マイルドハイブリッド」に活⽤されて能となり、モーターによるアシスト頻度が⾼まったことで、⼤いるスズキの「ワゴンR」（写真提供︓東芝）幅な燃費向上につながっています。

図3「SCiB™」の製品ラインナップ。★印がNEDOプロジェクトで実⽤化した「10Ahセル」と「23Ahセル」（写真提供︓東芝）「薄さの限界」を超えた⾰新的発想の転換
さらにセルの⼊出⼒性能を⾼めるチャレンジは続きます。⼊出⼒性能を⾼めることも、⼤容量化と同様に電極⾯積に⽐例します。そのため、セパレータをさらに薄くできれば、⻑尺の電極シートをより多く巻けるため、電極⾯積を増やすことができます。また、正極と負極の距離が近づくことによって、電気の⼊出⼒性能も同時に⾼めることができます。

ただし、「23Ahセル」の開発で⾏ったセパレータの薄膜化により、⾼速で巻く製造⼯程に耐えるためには、その薄さはすでに限界に達していました。
限界を突破するために、舘林さんらは「正極と負極の真ん中にセパレータがある」という既成概念を取り外して考えました。
ポイントは正極材と負極材がじかに触れなければよいということ。
「そこで考えついたのが、セパレータを極材の⼀部として薄く作り込んでしまうという途⽅もないアイデアですが、社内の⽣産技術センターでは新しいプロセス技術を扱っていて、このアイデアを実⽤化できる技術の知⾒がありました」と、舘林さん
図4 エレクトロスピニング技術による電極の構造図。電極と電解液が浸み込んだナノファイバーのセパレータが⼀体化している（資料提供︓東芝）はプロセスを語ります。

その技術とは、「エレクトロスピニング」という極細のナノファイバーをつくる技術です。この技術を応⽤し、絶縁性、耐熱性の⾼い樹脂製のナノファイバーで電極の上に極薄の膜をつくり、電極とセパレータを⼀体化することで、従来のリチウムイオン電池ではありえない⾰新的な構造が実現しました（図4）。
セパレータをないも同然にした結果、従来品に⽐べ絶縁体に関わるコストを半減、⼊出⼒性能と容量を1.2倍にすることができました。
写真3 開発実証段階の捲回装置。シート状の電極やセパレータを⾼速でNEDOプロジェクトのメリットについて、舘林さんは「セパ巻いていくレータ⼀体型の電極をつくるエレクトロスピニングも、量産に持ち込めるかどうかは最後まで⾃信が持てませんでした。量産設計をするためには、安全性を測るために実製品に使う材料を⽤い、ほぼ同サイズの試作品で検討する必要があります。ところが、試作段階で実製品製造に近い装置を導⼊するのは、かなり⾼いハードルとなります。そこをNEDOの⽀援により乗り越えられたことが、開発に⼤きな弾みをつけてくれました」と語ります。

写真4 開発実証段階の電極塗⼯装置。電極スラリーを薄くかすれないよ
うに⾼速で塗布する

写真5 フロアいっぱいに並ぶ充放電試験装置。15,000回の充放電後も80％以上の容量を保持する

⼤容量化に向けた数々のチャレンジ
蓄電量のさらなる「⼤容量化」を実現するため、正極材と負極材についてさまざまな研究開発が⾏われ、特に負極材に関して、チタン酸リチウム（LTO）に変わる材料の開発は極めて難易度の⾼いテーマとなりました。
「LTOは非常に優れた素材です。リチウム⾦属の析出が起こらず、リチウムイオンの挿⼊、脱離が速い。安定性が⾼く⻑寿命でもある。ただ、より⼤容量を求められるようになると、LTOでは限界があります。そこで新たな材料を探した結果、たどり着いたのが『チタンニオブ系酸化物（NTO）』です」（舘林さん）
共に開発を⼿がけた⼭本さんは、「研究開発段階では、何⼗もの候補物質を検討してきました。いくつかは製品開発に近いレベルまで研究を進めた素材もあります。けれども、この性能では『SCiB™』にふさわしくないと断念したことが何度もありました」と語ります。「SCiB™」を名乗るためには、⾼い安全性、⻑寿命、急速充電の3つが絶対条件なのです。
「最終的に残ったNTOについて、NEDOの⽀援を受けた実験装置によってテストを重ねました。当初は寿命が短かったため、材料を均⼀化する合成⽅法を考えたり、正極との組み合わせを考えてセルの設計を何度もやり直したりして、ようやく目標としていた現⾏のセルよりもエネルギー密度や急速充電性能などにおいて優れた特性を得られました。」（⼭本さん）
⼆次電池を可能な限りコンパクトに、かつ⾼エネルギー密度で低コストに製造する。そのためのカギを握るのが、NTO負極材です。NTOの開発状況について舘林さんは「セル製品としての完成度を⾼めているところで、2019年度にはお客様に提供する予定です」と語ります。

⽤途を絞り込み、One & Onlyなポジションで独⾛へ
2018年8⽉、「SCiB™」を使⽤した蓄電池システムが、鉄道⾞両に要求される欧州規格（EN50126およびEN50129）で最⾼⽔準の認証を取得しました。多国間にまたがる欧州鉄道においては安全性の確保が厳しく求められる中、「SCiB™」はリチウムイオン電池を使ったシステムとして、鉄道⾞両向けの認証を取得した世界初の製品となりました。
「SCiB™」の今後の展開について舘林さんは「特殊なリチウムイオン電池として、ヘビーデューティーな限られた⽤途、例えばマイルドハイブリッド⾞や商⽤EVなどで他を寄せ付けない存在を目指しています。今後ハイパワーが求められる電⼒需給の調整⽤蓄電池として活⽤してもらいたい。“こうした状況では『SCiB™』じゃないとダメだ”と⾔ってもらえる⽤途を増やすことが目標です」と語ります。
「単にコストパフォーマンスだけで勝負するのではなく、『SCiB™』ならではの特性を評価してくれる顧客が、今も現実に存在する。この強みを⽣かすためにも、『SCiB™』らしさは今後も維持しながら、さらなる⾼性能化を目指したいと考えています」と舘林さんは展望を語りました。

まだまだ⾼いハードルをいくつも越える覚悟リチウムイオン電池には、これからの社会インフラを担う重要な役割があります。⼊社以来ずっとその開発に取り組んできた舘林さんは、⾃分の仕事の意義を認識しています。
「⼀度は事業撤退となったものの、諦めずに研究に取り組んで本当に良かったと思っています。粘り強く研究を進めた理由は⾃分の中に、リチウムイオン電池が社会に必要だという信念に近い思いがあったからです」
株式会社 東芝
電池事業部 セル応用技術部
セル応用技術第一担当 グループ長
舘林 義直さん

ただ現時点では、舘林さんが思ったほどには普及していないと⾔います。それは性能やコスト⾯で、解消すべき課題がたくさんあるからです。
「『SCiB™』はオールラウンダーではありませんが、だからこそ、これがフィットする領域ではダントツのポジションを確⽴し、その結果、未来の社会に貢献できるようにと考えています」「SCiB™」ならではの使い⽅を広げる「リチウムイオン電池も、その採⽤にはコストが重視されます。けれども、『SCiB™』には、単純にコストだけではないメリットがある。この強みを伸ばすのが私の課題です」
このように語る⼭本さんが期待しているのは、電池の使われ⽅のバリエーションが今後広がっていくと予想されることです。
⾞載向けについては、すでに100万台単位の実績があります。
これは「SCiB™」が独⾃のポジションを確⽴しているからです。
株式会社 東芝
電池事業部 電池連携・戦略部
商品企画担当 主務
⼭本 ⼤さん「さらに新たな機能開発により、付加価値をどれだけ⾼めていけるか。これが開発担当としての課題であり、研究者としても非常にやりがいを感じる部分です」

通常のリチウムイオン電池ではカバーできないニーズ「⼀度使い始めたら、徹底的に使い倒せるバッテリーにしたい。そんな思いを込めて、⻑寿命化に取り組んできました。それこそクルマが⾛れなくなるまで、メンテナンスフリーで動き続ける。そんな電池にしたかったのです」
村司さんが強調する⻑寿命性は、「SCiB™」と他のリチウムイオン電池との決定的な違いとなっています。これからEVの普及が期待される新興国の環境は、あらゆる⾯で非常に過酷です。
株式会社 東芝電池事業部 セル開発部
セル開発第二担当 主務

だからこそ、過酷な環境でも安全性をキープしたままで使える電池が求められるのです。

村司 泰章さん「『SCiB™』には、他にも多様な⽤途があるはずで、そうしたニーズへのきめ細かな対応に、今後⼒を⼊れていきたいと思います」

リチウムイオン電池の仕組み
リチウムイオン電池は、⼩型で軽量、しかも充電可能な⾼エネルギー密度の電池です。
基本的な原理は、リチウムイオンが電解液を介して正極と負極の間を⾏き来することによって充放電が⾏われること。外部から充電されると、電流の移動に伴って正極からリチウムイオンが電解液に抜け出して負極に移動します。逆に放電時には、負極からリチウムイオンが電解液中に抜け出して、正極に移動することで外部回路に電流が流れ出す仕組みです。正極はリチウムとニッケル、コバルト、マンガンなどの⾦属の酸化物が使われることが多く、負極には⼀般に炭素系材料が使われます。

なぜ、リチウムが使われるのでしょうか。その理由は、まずリチウムが非常に軽い物質であること、加えて、最もイオン化傾向が⼤きい元素であり、⾼い電圧の電池をつくるのに役⽴ちます。したがって、リチウムイオン電池はエネルギー密度が非常に⾼く、⼩型で軽量のバッテリーをつくる上で、⼤きなメリットとなります。以前使われていた蓄電池、例えば鉛電池やニッケル⽔素電池などと⽐べれば単位体積、単位重量あたりとも、リチウムイオン電池が優れています。
ただし、負極材に炭素を使っていると、低温下での急速充電時などに、負極材の表⾯にリチウムが⾦属化して析リチウムイオン電池の概念図（資料提供︓東芝）出することがあります。この析出した⾦属が正極と接触すると、正極と負極が内部短絡を起こし発熱や最悪の場合は爆発する恐れがあります。正極と負極の内部短絡を防ぐために、リチウムイオン電池には必ず、正極と負極の間に絶縁体としてセパレータを⼊れます。セパレータは、厚さが約25μm（マイクロメートル）で、リチウムイオンを通すための1μm以下の⼩さな⽳が開いています。
東芝の「SCiB™」は、負極にリチウム⾦属の析出が起こらない「チタン酸リチウム（LTO）」を使っているため、セパレータを極限まで薄くし電極と⼀体化できたのです。

各種電池のエネルギー密度⽐較

「リチウムイオン電池応⽤・実⽤化先端技術開発事業」（2012〜2016年度）（NEDO内担当部署︓スマートコミュニティ部）
運輸部門における⽯油依存の脱却やCO 2 排出量の削減のため、EVやPHEV等の次世代⾃動⾞の普及拡⼤が期待されており、その開発・実⽤化の国際競争が激化しています。そのため、本事業においては、EV及びPHEVに搭載するリチウムイオン電池について、1充電当たりの電動⾛⾏距離の延伸を図るための⾼エネルギー密度化、安全性の向上、低コスト化等に資する技術開発を⾏いました。
NEDOは、これまでに蓄積した蓄電池及びEV・PHEVの市場、産業、技術開発動向の知⾒や、マネジメントの経験とノウハウを活かしながら、各実施者の開発進捗の把握し、学識者や専門家で構成される「NEDO技術委員会（蓄電技術開発）」を定期的に開催しました。そこでの助⾔や指摘を反映し、必要に応じて加速予算を配賦するなど、プロジェクトの運営管理を実施しました。
その結果、東芝が開発した⾰新的リチウムイオン電池では、予定を前倒ししての早期商品化につながりました。

関連プロジェクト

イノベーション推進事業/定置型蓄電システム向けリチウムイオン⼆次電池の開発（2009〜2010年度）
安全・低コスト⼤規模蓄電システム技術開発/系統安定化⽤蓄電システムの開発/系統安定化⽤の低コスト⾼出⼒蓄電システムの技術開発（2012〜2015年度）
リチウムイオン電池応⽤・実⽤化先端技術開発事業（2012〜2015年度）
国際エネルギー消費効率化等技術・システム実証事業/１０分間充電運⾏による⼤型ＥＶバス実証事業（マレーシア）（2014〜201
9年度）