常識を覆す発想で革新的なリチウムイオン電池を開発

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稼動しています（写真1）。

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）

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、シート状になった長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、長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。

図2　SCiB™の構造。長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

「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。

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）。

写真2　「10Ahセル」が搭載され、「マイルドハイブリッド」に活用されているスズキの「ワゴンR」（写真提供：東芝）

「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、長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）。

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）

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。

NEDOプロジェクトのメリットについて、舘林さんは「セパ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巻いていく

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