トヨタは、電気自動車（EV）やプラグインハイブリッド車（PHV）に搭載されているリチウムイオン電池内部で、充放電する際に電解液中で移動するリチウムイオンの挙動を観察する手法を世界で初めて開発したと発表しました。

トヨタでは、今回開発された手法を使えば、リチウムイオン電池の性能を低下させる電解液中のリチウムイオンの偏りをリアルタイムで観察することが可能になり、「EV・PHVなどの航続距離や電池寿命を向上させる研究の有効なツールとなる」としています。

リチウムイオン電池は、正極の金属酸化物と負極の炭素材料との間を、リチウムイオンを通過させる樹脂薄膜製のセパレーターで隔離・絶縁した状態で有機電解液中に漬した構造になっています。

リチウムイオン電池の充放電時には、電解液中のリチウムイオンが正極と負極との間を移動することで両極間に電流が流れるようになっているので、電解液中でリチウムイオンに偏りが発生すると電池の性能を低下させてしまいます。

ところが、従来では電解液中のリチウムイオンの動きを観察することができなかったために、電解駅中のリチウムイオンの偏りを防止する研究が進まないという事情がありました。

そこで、リチウムイオンの挙動を観察するために、豊田中央研究所が理研と高輝度光科学研究センター（JASRI）の協力を得て、大型放射光施設「SPring-8」に専用の豊田ビームラインを設置して、通常のレントゲン装置の約10億倍という大強度X線を用いて、リチウムイオンの動きを高解像度かつ高速に計測できる施設を準備しました。

見えない電解液中のリチウムイオンの挙動を観察するために開発した方法は、電解液を重元素を含有したものに変更するという方法。通常のリンを含む電解液から今回の重元素を含む電解液に変更すると、リチウムイオンが電解液中を移動する際に結合する「リン含有イオン」が「重元素含有イオン」に置き換わります。

このとき、重元素はリンに比べX線を透過させにくいという性質を持っているため、X線を透過させた撮影画像では「重元素含有イオン」が影の濃淡となって現れることで、電解液中で重元素と結合しているリチウムイオンが偏る動きを観察することが可能となります。

この新開発の観察手法を使用して、車載されている製品と同等のラミネートセル型のリチウムイオン電池を実際に使用される環境・条件と同一の状態で、充放電の過程で電解液中のリチウムイオンの偏りが発生するプロセスをリアルタイムで観察することが可能になりました。

トヨタでは今後、正負極やセパレーター、電解液の材料や構造、電池の制御方法を変えてリチウムイオンの挙動を観察し、電池の性能が低下するメカニズムを解析することで、リチウムイオン電池の性能・耐久性向上につなげたいとしています。

（山内　博・画像：トヨタ）

最近、車載用リチウム電池向けのセパレータを手がける素材メーカーで、製造設備を増強する動きが続いています。

宇部興産でも車載用リチウムイオン電池の需要増大を見越して、同社堺工場（大阪府堺市）でセパレータ製造設備を増強することを決定しました。

リチウム電池のセパレータとは、リチウム電池の正極と負極を絶縁しながら、電解液中のリチウムイオンを通過させる微小な孔があいた分離膜のことです。

宇部興産が計画している設備の増強は、2018年4月完工予定で、現在堺工場で建設中の新規設備に続いての設備増設となります。この増強が完成すると、宇部ケミカル工場と堺工場を合わせた合計の生産能力は2.5億平方mになります。

宇部興産では、単に製造能力を増やすだけではなく、供給拠点を2カ所に分割することで、セパレータの安定供給につなげたいとしています。

同社の関係するセパレータ事業としては、2011年に日立マクセルと合弁で設立した宇部マクセル社（京都府乙訓郡）が手がける高機能塗布型セパレータがあり、この塗布型セパレータは新型プリウスのリチウムイオン電池に採用されています。

リチウム電池のセパレータはEV、HV、PHVといった電動車の性能に直結する素材で、素材メーカー各社のセパレータ事業の動きに注目が集まっています。

（山内 博・画像：宇部興産）

住友化学は、同社が商標名「ペルヴィオ（登録商標）」として販売しているリチウムイオン二次電池用セパレータを大幅に増産すると発表しました。

同社は、現在リチウムイオン二次電池用セパレータを、愛媛県の大江工場と子会社の SSLM 社（韓国大邱市）で生産していますが、今回SSLM社の生産能力を現行比4倍に増強すことを決定し、2017年8月以降、順次量産を開始するということです。

今回のセパレータ増産は、EV・HY・PHVの販売増に応じて車載用リチウムイオン二次電池の需要が急増していることに対応したものと見られます。

リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを挟み込んでリチウムイオンを含んだ電解液を満たした構造になっており、セパレータには、リチウムイオンの移動を許容しながら耐熱性と絶縁性を保つことが必要です。

住友化学の「ペルヴィオ」は、ポリオレフィン基材にアラミド樹脂で耐熱層を形成したことが特徴で、主に車載用途で採用されています。

今後EV・HV・PHVのような電動車の増加に伴ってリチウムイオン二次電池関連の化学メーカーの活躍が自動車業界でも目立つようになりそうです。

（山内　博・画像：SSLM社）

東大・大学院の山田淳夫教授らの研究グループは、燃えにくい電解液を使用して高電圧と安全性を両立した4.6V リチウムイオン電池を開発したと発表しました。

現状のリチウムイオン電池は作動電圧が3.7Vですが、高電圧化されることでさらに高密度なエネルギー貯蔵が可能になり、EVの航続距離を伸ばすことができます。

しかし、作動電圧を高くすると既存の有機電解液では副反応・劣化が発生してしまい、安定した充放電が難しくなるという問題がありました。

そこで、研究グループでは、リチウムイオン電池の高電圧作動を可能にする新規な難燃性電解液、すなわち「燃えにくい電解液」を開発しました。

この電解液は、同研究グループが2014 年に発表した「濃い電解液（高濃度電解液）」のアイデアに基づき、リチウムイオンの濃度を極限まで高めることによってリチウムイオ ン、アニオン（マイナスイオン）、有機溶媒分子が相互に結び付いたネットワーク構造を実現。有機溶媒に起因する燃焼性が格段に低下するとともに、高電圧作動時に発生する副反応を抑制することができ、既存電解液では不可能だった平均電圧4.6Vのリチウムイオン電池で100サイクルの安定した充放電に成功しました。

今回の新しい燃えにくい電解液のネットワーク構造は、理化学研究所のスーパーコンピュータ「京」（神戸市）を用いたシミュレーションで明らかになりました。

先日もマツダが、大型放射光施設「SPring-8」を使用して新素材の開発に乗り出すことが発表されたばかりで、自動車の技術開発も「京」や「SPring-8」のような世界的規模のツールを使用する段階に入ったことが注目されます。

（山内　博・画像：東京大学）

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産業技術総合研究所（産総研）の研究グループは、イオンを見分けるセパレーターを使用して次世代蓄電池のリチウム硫黄電池を開発したと発表しました。

今回、開発されたリチウム硫黄電池は、セパレーターに金属有機構造体を複合材料にして利用している点がポイントです。

新開発のセパレーターでは、リチウムイオンを通して、多硫化物イオンは通さない「イオンふるい」効果が確認されました。開発されたリチウム硫黄電池は、1,500回充放電を繰り返しても安定に動作しました。

リチウム硫黄電池は、リチウム空気電池、ナトリウムイオン電池とともに現状のリチウムイオン電池に代わる次世代蓄電池として開発が進められています。

リチウムイオン電池の正極に硫黄を用いるリチウム硫黄電池は、正極容量が高く次世代蓄電池として期待されています。

しかし、放電反応の中間で生成するリチウム多硫化物が電解液に溶け出して、充放電サイクルを繰り返すと、溶け出した多硫化物イオンが原因でリチウム硫黄電池の容量が劣化するという問題がありました。

そこで研究グループでは、従来から知られている金属有機構造体の「分子ふるい」機能が、イオンの種類を分別できる「イオンふるい」としても機能すると考え、金属有機構造体をリチウム硫黄電池のセパレーターとして使用することに成功しました。

新開発のセパレーターは、充放電に必要なリチウムイオンを通す一方で、電解液に溶け出した多硫化物イオンが負極側へ移動することを防ぐため、新型のリチウム硫黄電池で長期間の安定した充放電サイクルを実現できました。

金属有機構造体（MOF：Metal Organic Frameworks）とは、金属と有機物の配位子が多孔質の三次元配位ネットワーク構造を形成する新素材で、センサーや触媒など多方面への応用が期待されています。

今回のリチウム硫黄電池を含む次世代蓄電池が実用化されると、EVやHV・PHVの性能が大幅に向上することが期待できます。

（山内　博・画像：産総研）

経済産業省の「自動車産業戦略」によると、2020年に電動車（PHV・EV）の比率を全体の15〜20%に、2030年には20〜30%に拡大するとしています。

そのPHVやEV普及の鍵となる、安価な次世代リチウムイオン電池として期待されているのが「全固体電池」。大手自動車メーカーによる開発動向に注目が集まっています。

そうしたなか、日立造船が2月に全固体リチウムイオン電池を開発、現行のリチウムイオン2次電池と同等の性能を発揮することを確認したと発表。翌3月には“国際二次電池展”で試作品を披露しました。

電解液の代わりに固体電解質（硫化リチウム系化合物）を使用、正極と負極を含めた部材を全て固体で構成することで以下を実現しました。

・大気圧下での充放電が可能
・液漏れの心配が無く安全性が高い
・発熱による可燃性ガスの発生が無い
・極薄0.3mmの電解質を積層して大容量化
・-40〜100℃の広い温度環境下で利用可能
・7年後も90%以上容量維持するなど長寿命

これを可能にしたのが、同社が自動車用プレス機の製造で培った”プレス技術”だったといいます。

一般的に全固体電池では、電解質の材料粒子間のイオン伝導性を保持するために機械的に圧力を加えながら充放電させる必要があります。

しかし日立造船では粉体電解質を直接加圧成型することでイオン伝導性を向上させ、充放電時の加圧を不要とし、大気圧下での充放電を実現。製造工程の簡素化によりコストを抑制しました。

過酷な温度環境下でも正常に充放電することを確認済みで、2020年をターゲットに車載用として製品化を目指しており、各社への評価用電池セルのサンプル提供を開始しています。

その評価にホンダ技研が協力しているそうです。

一方のトヨタも豊田中央技術研究所で全固体電池を開発しており、HVで先行した両雄のどちらが先にPHV、EVの価格低減に向けて全固体電池の採用に踏み切るかが注目されます。

（Avanti Yasunori ・画像：日立造船）

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