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Chapter 写真：赤松 孝4
Chapterトヨタ自動車
（株）
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トヨタは ＨＶ の 市場投入以降︑ 永年 の 実績 で 信頼性 あるニッケル 水素 バッテリを 使用 してきた ︒ しかし 性能上利点 の 多 いリチウムイオンバッテリの 研究・開発 も 進 め ︑現在二 つの 電池 は 共存 している ︒ ここで 正電極 にまったく 新 しいアイデアを 盛 りこんだ 二世代目 のリチウムイオンバッテリが 完成 し ︑ 大幅 な 出力向上 とコストの 低減 を 図 った ︒ これは ＨＶ の 普及 に 大 きな 役割 を 果 たす 開発 だった ︒Development of LiB for Hybrid V
ehicle with
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op Class Fuel Efficiency
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トヨタ自動車がハイブリッド車（ＨＶ）プリウスを市 12月のことであった。小型ガソ 10・ 15モードで 28㎞／Ｌという驚くべき燃費性能 20年を経て、最新のプリウスでは 40・ 8㎞／Ｌを達成するなど飛躍 燃 費 性 能 の 向 上 に は、 幾 つ か の 技 術 的 な 革 新 が か か トヨタの量産用ＨＶ用電池は、ニッケル水素電池で始 リチウムイオン電池について、パワートレーンカンパ ー Ｈ Ｖ 電 池 ユ ニ ッ ト 開 発 部 電 池 シ ス テ ム 評 価・ 電 池 これが、 現在もなおニッケル水素電池を使っ ＨＶ用として、 今後もずっと使っ リチウムイオン電池は、やはり小型・軽量化できると 20年以上の歴史がありますが、クルマ用と 10年にも満たない実績です。そこで、ニッケ という観点も加え、セル本体だけでなく、制御や冷却と いったシステム全体の設計・開発に取り組み、お客様に ご迷惑をお掛けしないことを大きな方針とし、みなの知 恵を結集して開発してきました。その過程で、最初の第 一 世 代 の 開 発 で は 、み ん な の 知 恵 を 結 集 し て 臨 み ま し た 」 淡々と語る高橋の口調ではあるが、ＨＶにかかわる電 池の全体を掌握するユニット主査の立場からの話には、 深みと重みがある。第
二
世代とな
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トヨタにとって初のリチウムイオン電池（第一世代） が世に出てから５年、これを第一世代と称し、今回開発 さ れ た リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 は 第 二 世 代 と 位 置 付 け ら れ る。核となるセル開発の主査を務めた先進技術開発カン パニー電池材料技術・研究部電池先行開発室チーフプロ フェッショナルエンジニアの佐藤広一は、第二世代につ いて次のように説明する。 「第一世代のリチウムイオン電池は、ニッケル水素電池 で培ってきた市場品質確保を大前提とし、リチウムイオ ン電池ならではの利点を最大限に活かすことを目指しま した。 第二世代へ開発を進めるにあたっては、電池としての 品質と性能を維持しつつ、原価を下げることも目指しま した。そのために行ったのが、材料の変更と、正極材料 の中空コンセプトと呼ぶ材料開発です。材料変更は、寿 命、作りやすさ、コストに関係します。中空コンセプト は、電池の入出力性能の向上につながります」 リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 特 性 を 決 め る 正 極 材 料（ 活 物 質）に、従来はニッケル酸リチウムが使われたが、第二 世代ではニッケル ・ コバルト ・ マンガン酸リチウムを使っ た三元系と呼ばれる材料に変更された。負極側は、カー ボンが使われることに変わりはない。ただ、改良は施さ れている。そして、中空コンセプトというのが、今回の リチウムイオン電池は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動するこ とで充放電を行う。正極にはリチウムイオンを含む金属酸化物（活物質） が用いられ、負極は炭素が使われている。今回の開発では、正極の 活物質の粒子を中空化することにより、高出力を出せるようにした。こ とに、ハイブリッド車（ＨＶ）での利用では、素早い充放電が求められ、 その点が、大容量を求める電気自動車（ＥＶ）や民生の電気機器と異 なる。開発されたリチウムイオン電池は、容量を減らしながら出力は従来 と同等以上を実現することにより、車載における小型軽量化にも貢献し ている。中空の活物質の製造は車両用としてかつてないことであり、製 造段階では電極に活物質を塗布した後の溶剤の乾燥に新たな生産技 術を編み出すが必要であった。溶剤の使用量を減らし、中空粒子の中 までしっかり乾燥させる手法などが開発されたことにより、世界トップクラ スの低燃費を実現するＨＶ用リチウムイオン電池が完成した。正極の活物質を変更し、
中空構造とした高出力開発
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Chapter 受賞に大きくかかわる技術である。 佐藤は、 「正極の材料の使用量を減らすことができれば量的なコ スト低減も追求できるわけで、容量を下げても性能を出 すために考え出したのが、中空コンセプトです」といき さつを語る。 中空コンセプトとは、正極の活物質の粒子を中空にし、 粒子内の内部抵抗を減らしながら、電解液の接触面を増 やすことにより、容量を小さくしても出力を保持する新 発 想 で あ る（ 図 １ ）。 こ れ を 編 み 出 し た の は、 パ ワ ー ト レーンカンパニーＨＶ電池ユニット開発部電池システム 評価・電池開発室主幹の永井裕喜だ。 「小さな粒子が複合的に合体し、一体化しているのが活 物質であり、まず抵抗を少なくするためには粒子を小さ くして、界面がしっかりくっついている状態がいいので はないかと考えました。ところが、粒子を小さくしてい くと、粒の詰まった粒子がなかなか作れず、粒子に孔が 開いてしまうのです。しかたなく逆転の発想で、孔を大 きくしたらどうかと考えました。大きな孔によって、表 面積が増え、リチウムの動きを良くしながら抵抗も下げ られるのではないかと。 活物質の反応は、リチウムイオンが粒子の表面から中 へ移動していくので、容量を求める電池では粒子の中が 詰まっていることが容量の大小に結びつきます。しかし、 高出力を得たい今回の場合であれば、孔が開くことでか えってリチウムイオンが移動する距離を短くすることが でき、出力を出せるのではないかと思ったのです。この 考えから生まれたのが中空コンセプトであり、反応面積 が 広 く、 中 空 粒 子 の 殻 の 厚 み が 薄 い の が 特 徴 で す（ 図 ２ ）」 孔 が 開 い て し ま う な ら、 逆 に 大 き く 孔 を あ け て し ま お う。 そ の 大 胆 な 発 想 は、 ど こ か ら 生 ま れ た の だ ろ う。 永井は、 「 小 さ な 粒 子 を 密 に 作 れ な い な ら、 作 れ る 範 囲 で 一 番 で き る こ と か ら や ろ う と 考 え ま し た。 ま た、 見 た 目 に 面 白 い し、 ほ か の 人 の や る こ と と 違 っ た 感 じ が ま た い い と 思 い ま し た 」 と、 平 然 と 語 る が、 第 二 世 代 の リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 量 産 で か か わ っ た 電 池・ Ｆ Ｃ 生 技 部 第２開発室長の棚橋隆幸は、 「 永 井 は 普 段 か ら 大 胆 な 発 想 を 恐 れ も な く 言 う 人 で す」と笑う。 また佐藤は、永井が発想した中空コンセプトについて 次のように読み解く。 「活物質の粒子をできるだけ詰める考え方は、容量を稼 ぎたいという民生用のリチウムイオン電池での考え方で す。一方、ＨＶ用リチウムイオン電池では高出力を出し たいと目的が異なるとともに、永井に民生用リチウムイ オン電池の経験があまりなかったことが、先入観をなく し、 か え っ て 中 空 に す る 発 想 が 出 て き た の で は な い で しょうか」 こうして生まれた新しい発想の活物質を使って、電池 を設計するのが先進技術開発カンパニー電池材料技術・ 研究部電池設計室 グループ長の秋田宏之である。 「これだけ突飛な発想の材料は、扱いにくいので、どう1st generation LiB cell 2nd generation LiB cell
Voltage 3.6V 3.7V
Capacity 5.0Ah 3.6Ah
Specific power 2950 W/kg 3920 W/kg Weight 245g 204g Dimensions 111(W)×14.1(T)×91.8(h)mm 137(W)×13.3(T)×63.3(h)mm 表 1 第一世代と第二世代 LiB の諸元 Surface (×5k) Cross-section
a) Cathode active material used in
1st generation LiB cell b) Cathode active material used in 2nd generation LiB cell Surface (×10k)
Cross-section Thickness related to
diffusion resistance Thickness
Increase active surface area exposed to electrolyte to reduce reaction resistance
Form a hollow area in the center of the secondary particle
Form thinner thickness shell to reduce diffusion resistance
図 1 第二世代 LiB 用正極活物質の中空粒子化による出力向上コンセプト
目指した性能は、お客様が 10〜 15年ＨＶを使い続けて 出した材料によって高い性能を出せる可能性が生まれた わけですから、それをいかに長く維持できるかを成し遂 げるのが設計上のポイントでした。 性能とものづくりの両立、使用状況に対するロバスト 性、これらを実現するために生産技術と設計はもちろん、 制御を含め一丸となって取り組んだ結果、達成すること ができました」 第二世代のリチウムイオン電池では、容量を第一世代 の５ Ah（アンペア・アワー）から 3.6 Ah に減らしている。それでも出力は落と していない（ 表１ ）。 佐藤は、 「容量を減らした分、より性能のバラ ンスをとるのが難しくなっています。 何かが過剰になると、何かが足りなく なる。したがって、第一世代に比べ格 段に難しい開発だったと言えます」と補足する。
荷室容量を確保す
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後席
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こうしてセル（正極と負極を持つ電池の最小単位）が 出来上がると、それを集めてスタック、電池パックに仕 立てていくことになる。ここで、高橋の仕事となる。 「前型では、荷室に電池パックを載せていましたが、新 型プリウスでは荷室を犠牲にしないよう、後席の下に搭 載することにしました。後席下への搭載は、小型ＨＶの アクアで先に経験がありました。後席の座面が高くなっ てしまっては、頭上のゆとりがなくなりますから、でき るだけ低く電池を搭載し、後席の座面を上げないことが 重要です。そのため、車体設計の担当者との調整が不可 欠でしたが、第二世代のリチウムイオン電池は、セル高棚橋 隆幸
Takayuki TANAHASHI トヨタ自動車株式会社 電池・ FC生技部 第2開発室 室長 「会社の成果としては新車が発売される ことで我々の仕事も完了ということにな りますが、仕事そのものに対する賞とし て形が得られたことを、有難いと思いま したし、嬉しかったです。 家では、娘 の学校の担任の先生が、凄いですね、 感動したとおっしゃってくださり、その言 葉で家族が初めてやり遂げた仕事の凄 さを認識してくれました（笑）」高橋 泰博
Yasuhiro TAKAHASHI トヨタ自動車株式会社 HV電池ユニット開発部 電子システム評価・電池開発室 室長 「入社以来ずっと電池にかかわる仕事 をしてきました。立派な楯を戴くこと ができ、仕事の成果が手元に形とし て残って嬉しいです。また、受賞の ことはとくになにも言っていなかった のですが、関係するメーカーの方から 受賞したそうですねと言われ、こちら が感謝すべきところ、こうした表彰も 気にかけて見ていてくれたことが嬉し く、今後も、関係するメーカー様や 仕入れ先様含め、みんなで良いもの をつくっていきたいと思いました」永井 裕喜
Hiroki NAGAI トヨタ自動車株式会社 HV電池ユニット開発部 電池システム評価・電池開発室 電池設計2グループ 主幹 「受賞の嬉しさはもちろんですが、 20 代で開発にかかわり、ようやく いま製品が出来上がったところで、 それが形に残る賞としていただけた ことが嬉しいです」秋田 宏之
Hiroyuki AKITA トヨタ自動車株式会社 電池材料技術・研究部 電池設計室 グループ長 「今回の受賞はこの電池の開発にかか わってきたメンバー全員の知恵・努力・ 団結のおかげです。改めてこの開発 にかかわった皆さんに感謝します。個 人的には、二人の子供が『ちゃんと仕 事してたんだね、すごいね』と言って くれたことも嬉しかったです」佐藤 広一
Kouichi SATO トヨタ自動車株式会社 電池材料技術・研究部 電池先行開発室 チーフプロフェッショナルエンジニア・ 電池材料 「一番は、純粋に嬉しいということです が、企業の中で仕事をするなかで、賞 という形で成果が残ることが喜びとして 実感したことです。今回の受賞は開発 に携わった関係者全員に頂いたものと 思っており、この賞を糧にして、みんな で更に良いものを開発していきたいと思 います。」4
Chapter さを低くしたため、後席下への搭載はニッケル水素に比 べ楽になりました（ 図３ ）。 さらに、ニッケル水素は内部抵抗が高いため冷却のた めの電力消費が増えますが、リチウムイオンは内部抵抗 が低いので冷却ファンの消費電力を抑えることができま す」 こうした電池搭載のための配慮のほかに、システム全 体としての目配りも必要になる。高橋は続けて、 「後席下に搭載するという電池の配置に加え、配線をど のように通すかといった工夫も必要になります。後席下 は他の配線や配管も通るところで、場所を確保するのが なかなか難しい位置です。 加えて、万一に備えた排煙のダクトも設けています。 これはまだ法規で規定されているわけではありませんが、 その先取りとして安全を考慮し、できる限り効果的に排 煙できるようにしました」 高橋が、 高さが低 く て 後 席 下 へ の 搭 載 が ニ ッ ケ ル 水 素 に 比 べ 楽 に な っ た と い う 第 二 世 代 の リ チ ウ ム イ オ ン 電 池は、 たしかに横長 形状で、 それまでの 正 方 形 に 近 い 形 と は ず い ぶ ん 様 子 が 違う。 これを改めた のは、佐藤である。 「 将 来 の 色 々 な 可 能 性 を 考 え た と き、 セ ル の 高 さ を 低 く す る こ と が 重 要 だ と考えました。 幾つ か の 候 補 の 中 か ら 今 回 の 形 状 を 選 ん だのですが、当初は、こんな格好で大丈夫だろうかと悩 みました。これまで世の中にない形でもあったからです。 最終的には、色々な観点からのデータを見ながら決めま した。 この形にしたことで、設計寸法通りに物を作るのも難 しくなりました。精度よくセルが出来上がらなければ、 寸法通りのスタック、電池パックに仕上げることができ ません。また、スタックの中でセルが動いても困ります。 セルの寸法精度を高めることはもちろんですが、スタッ ク側で若干のバラツキは吸収できるような工夫もしても らいました（ 表２ ）」３
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こうして電池開発が一つの節目を迎えると、次は量産 開発に場面は移る。棚橋が、これを担う。 「正極を構成する粉が２種類あります。活物質と導電材 です。これをうまく電極のアルミ箔に並べていかなけれ ばなりません。一番いいのは、粉を一粒ずつアルミ箔の 上に置いていくことですが、現実的ではありません。そ こで、液体を使って粉を溶かし、塗るという工程で実現 します。 ここで問題になるのが、塗った後に液をいかに除去す るかです。簡単に言えば、乾燥させるのですが、丸い粒 であれば比較的簡単に乾燥できますけれども、中空の粒 子ですので、中に液が残ってしまう懸念があります。そ の粒子は、わずか３ミクロン（１０００分の３ミリメー ト ル： ０ ・ ０ ０ ３ ㎜） ほ ど の 孔 が 開 い て い て、 そ の 中 に 液が残らないようにするのですから、簡単ではありませ ん。 対策は二つあり、一つは、液の量を少なくすること。 もう一つは、乾燥をいかに効率的に行うかです。液その ものの量を少なくすると言っても、水分を減らせばドロ ドロの粘りが出て、均一に粉を塗れなくなります。そこ で、ある物質を加えることによりサラサラな液の状態を 保つようにしました。乾燥の仕方については、中空粒子 に対応するため、ノズル、熱源、給排気のシステムを一 から見直した乾燥炉を内製で製作し、風の当たり具合を 見える化することにより、効率的に乾燥させるプロセス 開発と設備化によって解決しました。 生産工程は全自動で人が介在することはありませんが、 効率的に乾燥させるための温度や流量の管理が必要です。 もちろん、液の残り具合は見えませんし、粒子の形も一 粒ずつ違いますから、実験データから仮説を立て、乾燥 の具合を分析し、また、出来上がった電池性能とも比較 しながら、工程を組み立てていきました」 棚橋の仕事に対して、秋田は、 「電池容量が小さいので、生産も苦労したと思う」と語 り、永井も、 「電池性能の許容範囲が小さいので、生産技術で補って 図 3 第一世代（右）と第二世代 LiB セルの高さの比較 表 2 第二世代 LiB パックの諸元2nd generation LiB cell
Cell quantity 56 cells (28 cells × 2 stacks)
Voltage 207.2 V
Energy 0.75 kWh
Weight 24.5 kg
第
三
世代
の
リ
チ
ウ
ム
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ン
電池
は
どうあ
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べ
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こうして完成した第二世代のリチウムイオン電池は、 40％以上向上さ 図４ ）） 。 そしてすでに、佐藤はこの先の開発に目を向けている。 これを基に、さらに性能を上げていくこと。また、Ｈ ンエンジン車と価格差のないＨＶを出せるようにしてい きたいです」 秋田は、 「電池では、電極の面積を減らすと性能が下がるという のが常識でしたが、材料や形を工夫することによって性 能を上げられることが今回の開発で分かりました。一方、 車両に搭載したときの課題も見えてきていますので、次 にやるべきことは既に見えています」と、技術者として 見据える次を語るのであった。1st generation LiB cell
40％ improved
1.6
Output Power ration per unit electrode area
(1st generation = 1) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
2nd generation LiB cell
