判決は2010年？ EV車搭載電池、勝者の条件とは

　EV車搭載用の電池としては現在ニッケル水素電池が実用化されている。パワー密度や電力効率、軽量化を考えた場合、本来ならば優位性が高いリチウムイオン電池の搭載が望まれるところだが、環境への負荷や安全性の面で難点があるために実用化へ至っておらず、電機、自動車メーカー各社は開発を進めている。

　下の表は、各自動車メーカーおよび電機メーカーのリチウムイオン電池開発の状況をまとめたものである。ご覧のように、各社は2010年をめどにリチウムイオン電池搭載のEV車を市場導入するとしているが、当面は安全性の確保されたニッケル水素電池搭載車が主流となりそうだ。

　そんな折、日産自動車とNEC、NECトーキンの合併会社であるAESC（オートモーティブエナジーサプライ）は、安全性やコスト面での課題を解決したリチウムイオン電池を発表した。

　マンガン酸リチウムをベースにニッケルを混ぜた正極材料とハードカーボンの負極材料を組み合わせたAESC製のリチウムイオン電池は、2010年度日産自動車から発売予定のEV車（日米で発売）に搭載される。

　フォーラムでは、AESC開発部エグゼクティブチーフエンジニアの内海和明氏が同社のリチウムイオン電池開発状況について講演を行った。

ユーザーから信頼を得たものが、電池競争を制するだろう

　“電池の性能や安全性は材料に左右されるといっても過言ではない”内海氏はこう述べ、一言でリチウムイオン電池といえども、構成材料によりその性能はずいぶん異なることを強調した。

　リチウムイオン電池は、イオンが動くことでエネルギーをためる機構。電圧が非常に高く取れることから、エネルギーを多くためられるというのが特徴である。従来のニッケル水素電池や鉛電池と異なり、被水電解液を使用している。

　AESCが採用したスピネル構造のマンガン酸リチウムは、ニッケルやコバルトに比べ理論容量値が低いのが難点だが、資源が豊富で環境への影響も少なく、
　　　・　過充電に強い
　　　・　安全性が高い
　　　・　高出力密度でパワーが出る
などのメリットがあるという。

　EV車用電池の正極材料としてマンガン酸リチウムが適している理由として内海氏は“結晶構造が安定している”“抵抗値が低い”という2つの特徴を挙げた。

　コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムは、コバルトあるいはニッケルの層とリチウムの層が層状になっており、充電するとリチウムが抜け、負極へとリチウムが移動する。しかし、リチウムイオンがコバルトあるいはニッケルの層を支える構造になっているため、リチウムは過充電をすると結晶構造が崩れて一気に発熱が起こり、かつ酸素が出てくる熱暴走という危険な状態になる。

　一方、スピネル構造のマンガン酸リチウムは、マンガンとマンガンの層の間に柱が立ったような構造になっているため、リチウムをすべて引き抜いても、構造は変化しない。従って構造的にも熱的にも安定であり、大きな電気容量をためるEV車用として、この構造が適しているという。

図 過充電をした場合の層状構造とスピネル構造の比較 （内海氏の発表資料を基に作成）

　さらに、マンガンスピネル正極材料は電子伝導性に優れているため抵抗値が低く、コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムと比べ高い出力密度を示すという。

　マンガン酸リチウムはこれまで、保存特性やサイクル特性の悪さ、容量の低さから長年使用する自動車用電池に採用するのは難しいとされていた。AESCは、容量が劣化する原因が電池中わずかに含まれる水と電解液の反応で発生するフッ酸にあると解明（注）。フッ酸発生によるマンガンの流出を補捉剤（フロトンを利用）を加えることで解決した。

　「フロトンでフッ酸を補捉させることで、反応全体がストップすることがはっきりしてきました。満充電の状態で温度を60度に保持したときの容量の劣化率が、純粋なマンガンスピネルだけだと8週間で約70％になるところが、80％以上残ったというデータが得られました」（内海氏）

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