このロードマップでは、定置用二次電池の用途別にコスト及び寿命目標が明確に設定されています。
　
　また、定置用とは別に自動車用についても最新の情報をもとに性能やコストなどの目標が見直されており、電池材料についても新たな材料の追加や材料特性データの更新を行うなど、大幅な改訂が行われています。

　今回策定された新たなロードマップのポイントは以下の通りです。

定置用二次電池に関する内容を充実化

　今後の市場拡大が予測される定置用二次電池について、以下のような点を記載し内容の充実を図っています。

• 用途毎にコスト及び寿命目標を設定
• 種々の二次電池の特長や技術課題を記載した新たなロードマップを策定
• 今後の技術開発の方向性を明確化

自動車用二次電池の目標を最新の情報を基に更新

　プラグインハイブリッド自動車、電気自動車の普及拡大を目指し、以下のような内容が記載されています。

• 最新情報に基づき性能及びコスト目標を更新
• 寿命目標も新たに記載

最新の研究成果を反映し材料マップを更新

　リチウムイオン電池の材料マップ及び革新電池のマップについては以下のような情報の更新が行われています。

• 新たな材料の追加
• 材料特性データの更新などについて最新の研究成果を反映

ロードマップ策定対象となる二次電池の利用シーン
画像提供：NEDO

　この成果は、国内最高の演算処理能力を持つ京コンピュータ上で行った、化学反応シミュレーションにより得られたものです。

　エネルギー密度の高さなどから普及の進むリチウムイオン電池は、これまでのモバイル機器向けの用途だけでなく、電気自動車や飛行機、また電力の平準化などの用途に向けた開発も盛んに行われています。

　しかし、発火事故などがニュースとして取り上げられる事例もあり、高容量化と安全性の両立にはまだ多くの技術的課題があります。

　この高容量化と安全性の両立の鍵となるのが、電解液の還元分解反応とその分解物による電極界面の被膜（Solid Electrolyte Interphase: SEI膜）形成と言われています。

　しかし、このSEI膜形成に関わる反応機構はこれまで解明されていませんでした。

　今回行われた研究では、高精度な計算が可能なシミュレーション技術を世界で初めてリチウムイオン電池に適用することにより、リチウムイオン電池の典型的な電解液材料であるエチレンカーボネート(EC)と添加剤としてよく用いられるビニレンカーボネート(VC)の還元分解過程および、SEI膜の素材となる重合過程を分子レベルで明らかにすることに成功しています。

　今回用いられたシミュレーション技術は、演算処理量が多く一般のスーパーコンピュータでは実施が困難なものでしたが、京コンピュータを利用することにより化学反応シミュレーションを高精度かつ短期間で実行することができたとのことです。

　また、今回解明された反応機構は、これまで経験的に知られていた添加剤によるSEI膜の性能と安全性の向上について、原理的に裏付けるものとなっているとのことです。

（a） 添加剤がないEC溶媒のみの場合のSEI形成反応機構
（b） VC添加剤の役割として従来考えられてきた反応機構
（c） 今回解明されたVC 添加剤導入による機能の向上したSEIの形成機構
画像提供：独立行政法人物質・材料研究機構

　この電池は「カドニカ　GTシリーズ」という商品名で、2013年8月からサンプル出荷され、2014年度から量産が開始される予定です。

　今回開発された電池では以下のような技術を用いて、これまでのニカド電池では困難であった低温環境での充放電を可能としています。

高性能負極板の開発

　これまでのニカド電池では、温度の低下に伴い負極の活物質の反応が鈍くなるため、氷点下で充電・放電することが困難となっていました。

　今回開発された電池では、この問題を解決するために新開発された“高性能負極板”を採用することで、活物質を微細化し低温での反応性を改善したため、低温特性が約50％向上しています。

高性能負極板イメージ図
画像提供：パナソニック㈱

電解液マネジメント技術

　ニカド電池の電解液は水溶液系であるため、低温環境では電解液が凍結しやすくなります。

　今回開発された電池では、過去に蓄積された技術やノウハウの活用により電解液の濃度が最適化され、マイナス40℃まで対応できる仕様が実現されています。

独自の正極板焼結技術

　一般的にニカド電池は、低温環境下で過充電されると正極活物質が膨張し寿命が短くなります。

　今回開発された電池には、パナソニック独自の焼結技術が採用され、強度に優れた正極板構造が実現されており、この構造で活物質の膨張を抑制することより低温下での長寿命化を実現されています。

焼結式正極板の表面
画像提供：パナソニック㈱

　風力や太陽光による発電は、自然エネルギーを利用するため風況や日射量などの気象条件により発電出力が変動します、

　電力系統へ接続される風力発電や太陽光発電による発電量が少ない場合は、出力変動の影響はわずかなものですが、メガワットクラスの発電設備が大量に電力系統へ接続された状態で気象条件による出力変動が一度に発生すると、系統電力全体の周波数や電圧に影響を及ぼす可能性が有ります。

　この対策として、今回実施される実証事業では北海道電力の基幹系統の変電所に住友電工製の大型蓄電池（レドックスフロー電池）を設置し、蓄電池による風力発電や太陽光発電の出力変動の調整能力の検証、および最適な制御技術の開発行われる予定です。

　今回実施される実証事業の概要は以下の通りです。

• 設置場所

北海道電力　南早来変電所（北海道勇払郡安平町）

• 実証設備

レドックスフロー電池
　定格出力:15,000kW
　蓄電容量:60,000kWh

• 実証期間

平成25年度～平成29年度
（平成26年度末までに設置工事を完了し、その後3年間で実証試験を実施）

• 実証項目
  • 蓄電池を周波数調整用電源とみなした周波数変動抑制制御手法の開発
  • 蓄電池による余剰電力（下げ代）対策運転手法の開発
  • レドックスフロー電池の性能評価

レドックスフロー電池の構成

実証実験用設備のイメージ

画像提供：住友電気工業㈱

　この研究で試作されたナトリウム‐空気電池は以下のような性能を示し、エネルギー密度については、現在最も高いエネルギー密度を持つ二次電池であるリチウムイオン電池の10倍以上の値であることが確認されたとのことです。

• 起電力：2.9 V
• 電気化学容量：約600 mAh/g
• エネルギー密度：約1500 Wh/kg※

※上記のエネルギー密度は、電極、固体電解質セパレーターなどの構成材、システム部材の重量を含まずに計算

ナシコン・セラミックスのセパレーター

　今回発表されたナトリウム‐空気電池は以下のような構成となっており、ナシコンと呼ばれる高速ナトリウムイオン伝導性セラミックスのセパレーターを用いることで、反応性の高い金属ナトリウムの陽極と空気極とを分離し、空気極側に水性電解質を利用することを実現しています。

• 陽極：金属ナトリウム極
• 陽極側電解液：有機電解液
• 陰極：空気極
• 陰極側電解液：水溶液電解液

　画像提供：東京工業大学

二次電池化の実現に期待

　今回試作されたナトリウム‐空気電池は一次電池であり、今後は充放電の繰り返しにより発生する課題を解決し二次電池化されることなどが期待されます。

　リチウムイオン電池は、現在実用化されている二次電池の中で最も高いエネルギー密度を有しており、小型かつ高容量というメリットを活かし、携帯用電子機器からハイブリッド自動車や風力・太陽光発電などの蓄電池として幅広く利用されています。

　現在一般的に普及しているリチウムイオン電池は、正極と負極の間に可燃性の有機電解液が充填された構造をしており、これが発火事故などの要因の一つとなっています。

　この可燃性の有機電解液を不燃性の固体電解質に置き換えたものが全固体リチウムイオン電池と呼ばれる電池で、安全性や信頼性の問題を克服できる「究極の電池」とも言われ、世界中で基礎研究が行われています。

全固体リチウムイオン電池の実用化のカギとなる「その場形成電極」

　全固体リチウムイオン電池の実用化へのカギは、固体電極と固体電解質の界面におけるLiイオンの移動抵抗を低減し、Liイオンがスムーズに移動できるようにすることであり、これを実現できる電極が京都大学の研究者らにより提唱された「その場形成電極」と呼ばれるです。

　「その場形成電極」は固体電解質が変質し電極として機能するもので、リチウムイオン電池の負極の例では、固体電解質に多量のLiイオンを挿入することにより固体電解質自体が分解されて電極を形成します。

　このように形成された、その場形成負極と固体電解質界面におけるLiイオンの移動抵抗は非常に低く、LiCoO2負極と固体電解質界面での移動抵抗と比べて40分の1以下になると言われています。

発表された研究成果

　今回の研究では、最新の電子顕微鏡技術を用いて、「その場形成電極」の構造やナノメートル領域のLi分布、低抵抗のメカニズムの解明が行われ、「その場形成電極」の界面抵抗の大幅な低減をもたらす以下のような現象が確認されています。

• 「その場形成負極」は固体電解質との密着性が良いアモルファスの構造を持っている
• 「その場形成負極」では負極材料と固体電解質がナノメートルオーダーで徐々に混ざり合って密着性の良い界面を作っている

　リチウムイオン電池の正極材料に使用されるマンガン酸リチウムの化学式はLiMn2O4であり、この式が示す通り薄膜中のリチウム：マンガン：酸素の比率が 1：2：4 になるのが理想です。
　
　しかし、実際の薄膜合成時にはリチウムの欠損が起こり、高品質の薄膜合成が困難となっていたため、欠損発生のメカニズムの解明が求められていました。

　そこで同研究グループは、マンガン酸リチウムの薄膜合成時に導入する酸素ガスの圧力と合成された薄膜中に含まれるリチウム原子とマンガン原子数の関係を丹念に調べ、また、合成にかかわる各原子の質量および速度を考慮したモデルにより薄膜合成時の原子の振る舞いをシミュレーションして薄膜内に取り込まれる原子数比を計算することで、リチウム原子欠損のメカニズムの解明を試みました。

　その結果は下図のようになり、以下のような事柄が確認されています。

• 薄膜中のリチウム原子が欠損すること
• 酸素の圧力が高くなるほどリチウム欠損量が多くなること

　また、シミュレーション解析からは、薄膜中のリチウム欠損の原因は、質量の軽いリチウム原子が酸素分子との衝突により強く散乱され、広範囲に拡散することにある点も確認されています。

　今回解明された酸素分子との衝突によるリチウム原子欠損のメカニズムは、リチウムと遷移金属を含む材料による高品質薄膜合成の指針となり、今後の高品質薄膜によるリチウムイオン電池の性能向上や機能性酸化物を用いた高性能デバイスの開発に大きく道を拓くものとして期待されます。

　携帯電話ユーザーのあいだでは、充電と放電を数か月も繰り返すと、バッテリ駆動時間が短くなることが不満の一つとなっていましたが、今回TIの発表したMaxLife技術では、ラボテストでバッテリ駆動時間の最大30パーセントの延長と充電時間の最小化が実現されているとのことです。

　MaxLife技術の主な特長は以下の通りです。

• 単一セルのリチウム・バッテリに対し、最大4.5Aの充電率と急速充電を実現
• 放電サイクルごとに発生するバッテリ駆動時間の減少を最小限に抑え、バッテリ寿命を延長
• 放熱管理機能の強化と発熱の低減により、高効率充電を実現
• 高性能Impedance Track™バッテリ残量監視システムにより、業界最高精度の残量予測と同時に、充電電流と放電終止スレッシュホールドの正確な制御を実現

　今回の取り組みは下の図のように、ホンダが販売店などを通じて回収したハイブリッド車用ニッケル水素電池に含まれるレアアースを日本重化学工業のプラントで抽出し、そのレアアースをTDKで製造するハイブリッド車用モーターの磁石へ再利用するという流れで実施されます。

　今後、再利用開始に向けた3社共同での検討が開始され、使用済みニッケル水素バッテリーが一定量回収され次第、リサイクルの取り組みが開始されるとのことです。

画像提供：本田技研工業㈱

　ベトナムでは2011年以降、経済成長の鈍化傾向が継続していますが、そのような経済状況でも二輪車の普及は衰えておらず、特に交換用のバッテリーについては安定した市場として成長を続けています。

　このような中、ＧＳユアサではベトナム子会社を通じて、制御弁式鉛蓄電池を交換用バッテリー市場へ積極的に投入し、高品質、高級なブランドとして地位を確立しており、ベトナム国内シェアは６０％に達しているとのことです。

　今後の交換用バッテリーの需要増加に対応するために、今回決定された生産能力増強の内容は以下の通りです。

• 新工場敷地：約2万㎡
• 新工場建屋：約7500㎡
• 稼働時期：2013年度内（予定）
• 生産能力：2017年時点で1300万個※
• 設備投資額：総額15億円程度

　※現在稼働中の工場での生産量（約600万個）を含めた数量