「リチウムイオン電池が主役となる電動車と自然エネルギーを活用する社会」
藪内 直明
横浜国立大学
工学研究院
先端科学高等研究院
1

主要国における内燃機関自動車の規制
国

規制開始
年度

内燃機関車

UK

2030

禁止

ドイツ

2035

禁止

ノルウェー

2025

USA†

2030

中国

2030

日本

2035

ガソリン・ディーゼル

PHEV
禁止

2020年度
販売台数(EV+PHEV)

2020年度
販売シェア

17 万台

10%‡

禁止

39 万台

14%

禁止

禁止

14 万台

80%

50%以下

販売可

33 万台

2%*

販売可

136 万台

5%

販売可

3 万台

< 1%

(目標)

禁止

(HEVのみ可)禁止(HEVのみ可)(2035年から)† ロサンゼルスは 2030 年までに内燃機関車の乗り入れ禁止‡ 2019年度の 3% から大幅増加 *2021年度は 4% 程度で推移

2

Liイオン電池のコストの推移

2015; 100 USD/kWh
過去30年間の間に97%の価格低下

Ziegler and Trancik, Energy Environ. Sci., 14, 1635 (2021).

3

自然エネルギーの活用と脱炭素社会の実現

自然エネルギーの急激なコスト低減と脱炭素社会実現への期待
中東における太陽光発電
コスト 1.35 円/kWh を記録
2021年 アブダビ UAE

日本 < 10 円/kWh

40 – 62 kWh

石炭 11 円/kWh
原子力 16 円/kWhhttps://www3.nissan.co.jp/vehicles/new/leaf.html

自動車における脱内燃機関 + 社会インフラとしての蓄電池の活用

4電気自動車と再生可能エネルギー
蓄電デバイスに立脚した持続可能エネルギー社会の構築
風力発電

リチウムイオン電池、キャパシタなど”蓄電デバイス”の高機能化

太陽光発電

エネルギーの地産地消

電気自動車

屋根に太陽光パネル(出力 4.4 kW)

V2H 機器(Vehicle to Home)

PHEV(電池容量 13.8 kWh)

昼間

夜間

5

電気自動車とモビリティーの進化 (MaaS)
トヨタ自動車; e-Palette

Mobility as a Service (MaaS)
自家用車を保有する社会ではなく、自動運転の EV を共有する世界
移動者は限られた距離だけを乗る 短い移動距離

https://global.toyota/jp/newsroom/corporate/29933339.html

 電池容量は過剰には必要無し
 急速充電特性などを重視

今後、自動運転やシェアリングが進めば、より低容量の電池を搭載した EV が主役となる可能性もあり、現状の EV の考え方を適用することはできなくなる。
すでに商用車では実現; 電池容量 16 kWh, 150 km 走行 →https://www.asahi.com/articles/ASMCF4RRPMCFULFA016.html
6正極材料の変遷

LiCoO2

CoO2 層
Li 層

純コバルト (1980)

Co3+/Co4+

カチオン
レドックス

Ni2+/Ni3+/Ni4+

LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 三元系材料 (2000)
LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 Niリッチ 三元系材料

John B. GoodenoughN. Yabuuchi and T. Ohzuku

Mat. Res. Bull., 15. 783, 1980

J. Power Sources, 119 , 171, 2003

被引用件数 > 2400 回

被引用件数 > 1000 回
7正極材料の未来; Co/Ni フリー材料
安価なマンガンとチタンをベースとした新材料; Li1.2Mn0.4Ti0.4O2
6.0

Voltage / V

10 mA g-1 at 25 oC

Mn

1st - 5th

4.0

O2–/On–OTi

アニオン
レドックス

従来比1.5 倍の容量O

2.0

Li, Mn, and Ti
0.0

岩塩型構造
0100

200

300
-1

Capacity / mA h g

4002 μm

Y. Kobayashi et al., N. Yabuuchi, Materials Today, 37, 43 (2020).
M. Sawamura et al. and N. Yabuuchi, ACS Central Science, 6, 2326 (2020).

8

リチウムからの脱却とナトリウムの蓄電池への活用
311Lithium
6.941

Sodium
22.98976

LiNa

9汎用元素からなる電池材料
O3 Na1–xTixMn1–xO2

P2 Na2/3(Cr1/3Mg1/6Ti1/2)O2

低コスト・高安全
適度なエネルギー密度

T. Sato et al. and N. Yabuuchi,
R. Umezawa et al. and N. Yabuuchi,
Energy Material Advances, 9857563 (2021). Chemical Communications, 57, 2756 (2021). 10新しい 3 V 系蓄電池; ナトリウムイオン電池
NaCrO2/Na0.58Cr0.62Ti0.58O2 Full Cell
3.5
3.0

Voltage / V

2.5
2.01.51.030th0.5~120 Wh kg-1 as a full cell

0.0-0.5

1st020406080

100120Capacity / mA h g-1 of Na0.58Cr0.62Ti0.58O2

リチウムとニッケルを使わない高エネルギー蓄電池を実証

11

わずか3分で9割充電可能な Ti 系電極材料
2.5P3-type Na0.58Cr0.58Ti0.42O2

2.080

60

P2-type Na2/3Cr2/3Ti1/3O240

spinel-type Li4Ti5O1202

468Charge Duration / min.

10Voltage / V

Charge percent

100

1.5Charge duration

1 m 3 m 5 m 10 m

> 70 mA h g-1 bycharge only for“1” min.

20, 30 m
and 1 h1.0charge at 10 mA g-1

discharge at 10 mA g-1

0.50.0P3 Na0.58Cr0.58Ti0.42O2 with PVA-g-PAN
020406080100120Capacity / mA h g-1

 ナトリウム金属の析出を起こすことなく、安全に急速充電可能
 エネルギー密度では Li イオン電池には勝てないが、急速充電などの特徴を生かした電池開発に期待
12

Liイオン電池の安全性

炭酸ジメチル

炭酸エチレン
停車中の VW 製 ID. 3 が炎上 (オランダ 2021年8月)
https://www.carscoops.com/2021/08/vw-id-3-destroyed-afterbursting-in-flames-in-the-netherlands/

可燃性の有機溶媒を電解液として利用
13安全・安心な水系リチウムイオン電池
03.02040

QPE / mA h g-1
60806.0 g

1.0 g

LiTFSA/H2O(21 mmol) (56 mmol)

濃厚水系電解液

水系電解液とし1.5て可逆な 2 Vの1.010 mA g-1 at 25 oC0.0

負極材料の結晶構造

200104060

QNE / mA h g-1
20308040-1

QFC / mA h g

1005012060-110060

73% retention after 2000 cycles

9040200J. Yun et al., and N. Yabuuchi,PNAS, 118, e2024969118 (2021).

0(100 Wh kg–1)

80

Cell capacity / mA h g

Li, Nband Mo

作動電圧を実現

0 - 2.4 V

0.5

正極; スピネル型 LiMn2O4
LixNb2/7Mo3/7O2

1st2.0モル比 (LiTFSA:H2O = 1:2.6)

負極: 岩塩型モリブデン酸化物

10th

80

88% retention after 1000 cycles
Charge-1

at 100 mA g

Discharge

0500

1000

Cycle number

1500

2000

水系電解液を用いながら優れた寿命を実現

70
60

14Coulombic efficiency / %21 mol kg-1

Voltage / V

H2O

120

2.4 V

2.5

LiTFSA100

蓄電池の汎用化と高機能・多機能化
第一世代 Li イオン蓄電池 (電子機器用途)

LiCoO2/Graphite
既に商用化

電気自動車用LiCoxNiyMn1–x– yO2/Graphite 長寿命電池
格子膨張収縮無し
キャパシター
酸化物固体電解質(オールセラミックス電池)

Li イオン蓄電池

 超低コスト, 高入出力,
高安全電池
ナトリウムイオン電池
水系Li/Naイオン電池
硫化物 Li イオン電池

 高エネルギー密度次世代 Li 蓄電池
リチウム金属・硫黄・アニオンレドックス・貴金属材料

15