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vol.11 特集 キャパシタフォーラム会員が執筆したＯＨＭ2016 年３月号 特集「世界を変えるか！？大容量キャパシタ」 の記事の一部を掲載！ キャパシタフォーラム会報 ２０16年 通巻11号 目次 「モータ」「キャパシタ」「ワイヤレス」 佐久間一浩………………………… というパラダイム 堀会長………… 大容量キャパシタの市場動向 3 ｉｏｎ／ＥＤＬＣ応用の可能性比較 ―電気化学キャパシタ 佐久間一浩………… 平成２７年度特許出願技術動向調査 電気二重層キャパシタの応用 多様なｘＥＶ ＢｕｓへのＬｉ 青木良康………………… 佐々木正和……… リチウムイオンキャパシタとその応用 次世代キャパシタへの期待 …………… ナノハイブリッドキャパシタ（ＮＨＣ） 玉光賢次 …… 電気二重層キャパシタの劣化診断と寿命予測 石田隆張 木下繁則 … ……… 回）木下繁則……………………… … キャパシタ解説シリーズ（第 会員企業紹介 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 吉澤徳子……………… 株式会社大木工藝 窪島隆一郎……………………………………… アイオクサスジャパン株式会社 奥谷弘義………………………… 三菱製紙株式会社 金田安生………………………………………… ２０１５年度フォーラム活動実績…………………………………… 事務局からお知らせ他………………………………………………… - Capacitors Forum 会報 Vol.11 2016年号 - CONTENTS 年次大会スナップ 月次フォーラムスナップ 5 10 18 13 24 37 29 44 43 42 41 40 39 | 10 2015年次大会受付 月次フォーラム講演 洋一 「モータ」「キャパシタ」「ワイヤレス」というパラダイム キャパシタフォーラム会長 石 油 を 中 心 と す る エ ネ ル ギ ー 革 命 が 起 こ り、 リ ン を 町 中 に 噴 霧 し、 ク ル マ が そ れ を 吸 い 今までとは異なる新しいビジネスモデルが セ プ ト「 情 報 」 を 具 現 化 す る 時 代 で あ っ て、 我々は昔よく「親父、クルマ買ってくれ」 るが、山手線は個人が所有するものではない。 「俺のクルマのインバータは凄いんだよ」な どと自慢するだろうか？ で買うのは音楽そのものであって iTunes は 必 然 で は な い の と 同 じ よ う に、 ク ル マ 年 100 イオン電池」「急 ラ か ら 直 接 エ ネ ル ギ ー を 供 給 す れ ば、 一 充 電 車 の よ う に、 電 気 自 動 車 に 電 力 イ ン フ の必然である。 氏 の 言 う 産 業 構 造 論 の 流 れ に 沿 っ た、 歴 史 「 ワ イ ヤ レ ス 」 で 走 る だ ろ う。 こ れ は、 妹 尾 速充電」に代わって、 「モータ」 「キャパシタ」 後のクルマは、「エンジン」「 所 有 す る 必 然 性 は な い。 お そ ら く、 に、 エ ネ ル ギ ー を 自 前 で 持 ち 運 ぶ ク ル マ を によってますますネットにつながる時代 IoT ル マ が ナ ビ に よ っ て イ ン フ ラ に 接 続 さ れ、 電 池 車 は す で に 時 代 錯 誤 の 商 品 で あ る。 ク ち 運 ぶ エ ン ジ ン 車、 電 池 電 気 自 動 車、 燃 料 す れ ば、 少 な く と も 大 き な エ ネ ル ギ ー を 持 喜びが現代の若者から消え去りつつあると す れ ば、 ま た、 ク ル マ そ の も の を 所 有 す る で買うのは快適な移動というサービスだと CD 東京大学大学院 新領域創成科学研究科先端エネルギー工学専攻 教授 堀 ガソリンと電気のエネルギー形態はまっ エネルギーを運ぶネットワークが世界を席 捲したことは記憶に新しい。 たく違うのに、なぜ電気自動車に「止まって」 「短時間で」 「大きな」エネルギーを入れよ 世紀に生まれたコン 込 ん で タ ン ク に 貯 め て 走 る な ど と い う の は、 必 要 だ と い う。 世 紀 は、 ま ず 無 理 だ ろ う。 し か し、 電 気 は 実 質 同 じ など、いわゆる勝ち組のやり方を見れば、ユー そして こ と が で き る。 ク ル マ に エ ネ ル ギ ー を 供 給 ザーは単なるインターフェースである安価 う と す る の か、 不 思 議 で 仕 方 が な い。 ガ ソ す る 手 段 と、 ク ル マ を ど う 使 う か と い う こ な端末を持つだけであって、肝腎の知能はネッ 妹 尾 堅 一 郎 氏 に よ れ ば、 世 界 は100年 と言ったものだが、「親父、山手線買ってく にある。 Cloud ごとのパラダイムシフトを経験してきた れ 」 と は 言 わ な か っ た。 ク ル マ は 所 有 で き 紀 の コ ン セ プ ト は「 物 質 」 で あ る。 モ ノ を しかし、親父に買ってもらうクルマとは、いっ 内 装？ タ イ ヤ？ 今 は イ ン バ ー タ か？ し か し、 作 る た め に 産 業 革 命 が 起 こ り、 モ ノ を 運 ぶ 世紀のコンセプトは「エネルギー」で、 た い 何 だ っ た の だ ろ う。 エ ン ジ ン？ 外 装？ ） と い う（ 次 ペ ー ジ 下 表 参 照 ） （ １）、（ ２。 世 Apple と は 関 係 な い は ず で あ る。 し か し、 電 池 を トで接続された 、 Amazon 、 Google 使うと両者は強くリンクされてしまう。 20 鉄 道、 船 舶 な ど の ネ ッ ト ワ ー ク が 構 築 さ れ た。 3 Li 21 18 19 に よ っ て、 ク ル マ は 大 き な エ ネ ル ギ ー を 持 こちょこ充電」と走行中の「だらだら給電」 電「航続距離」は意味を失う。停車中の「ちょ 池 」 で は な く、 数 百 万 回 の 充 放 電 に 耐 え ら に 出 し 入 れ す る に は、 寿 命 の 短 い「 化 学 電 自 前 で 持 つ 必 要 が あ る だ ろ う。 電 力 を 頻 繁 本特集に協力した「キャパシタフォーラム」 れ、パワーに優れる物理電池「キャパシタ」 が担うこと お り、 最 後 の 数 ｍ を 高 速 Wi-Fi は、 十 数 年 前 に 故・ 岡 村 廸 夫 氏 に よ っ て 設 ち 運 ば な く な る だ ろ う。 そ こ で は、 ク ル マ と よ く 似 て い る。 ワ イ ヤ レ ス 給 電 の イ ン フ 立 さ れ、 小 生 が 会 長 を 引 き 継 い で い る。 大 を 必 要 量 だ け 用 い る の が よ い。 キ ャ パ シ タ ラ を 普 及 さ せ る 方 が、 大 容 量 電 池 を 積 ん だ 容量キャパシタの普及を目指す企業を主体 を 電 力 系 統 に つ な ぐ 最 後 の 数 ｍ を 担 う「 ワ 電気自動車を普及させることより社会コス と し た 集 ま り で あ る。 岡 村 先 生 の 遺 志 を 継 は歴史の必然である。来るべき未来に備えて、 ト は は る か に 小 さ く な り、 資 源 問 題 に 左 右 ぎ た い と 思 っ て い る。 こ の 特 集 が そ の 一 助 イ ヤ レ ス 給 電 」 が 重 要 な 役 割 を 果 た す。 光 されるリスクもずっと小さくなるはずである。 と な り、 キ ャ パ シ タ の 認 知 度 が 上 が れ ば 大 自信を持って開発に取り組もう。 さ ら に 言 え ば、 ク ル マ 会 社 が 自 社 の ク ル マ きな喜びである。 ネットワークの大幹線はすぐそこまで来て を 売 る た め に、 給 電 イ ン フ ラ を 整 備 し、 メ （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 pp. 10-24 ISBN 4827109699,2010 ジメント，発明協会， pp. 160-170 ISBN 4595308396,2008 （２）経済産業省，特許庁，事業戦略と知的財産マネ 大学教育振興会， （１）妹尾堅一郎，生越由美：社会と知的財産，放送 ◆参考文献◆ 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） ンテすることになるかもしれない。鉄道では、 き 電 イ ン フ ラ も、 そ こ を 走 る 車 両 の ど ち ら も同じ会社のものであるのと同じように…。 ク ル マ は 自 分 で 動 き 回 れ る と い う、 電 車 を走る程度のエネルギーは にはない自由を持たなくてはならないた め、 数 ～ 数 十 km 100 年ごとのパラダイムシフト コンセプト 世界観 革命 ネットワーク 18 世紀 物質 ― ― ― 19 世紀 エネルギー ↘唯物史観 →産業革命 →モノを運ぶ 20 世紀 情報 ↘宇宙観 →エネルギー革命 →エネルギーを運ぶ 21 世紀 ハプティクス？ ↘情報世界観 →情報革命 →情報を運ぶ 妹尾氏の講演より筆者作成。「ハプティクス」は筆者の独断で加筆 4 2020年の市場予測 大 容 量 キ ャ パ シ タ は 以 下 の 通 り、 2020 億円を超える市場になることが 1,000 安全性優先 機能性優先 モジュールの 標準化 用途別個別仕様 モジュールの 標準化 年に 機能性優先 予想される。 びが期待できる。 してきた。 ◎これまでも世界的には年率 ％で推移 自 動 車 関 係 で は、 リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 図２ 2015 年の応用分野における売上高（推定） 偏 向 主 義 か ら パ ワ ー 密 度 重 視 で、 多 様 な 特殊 車両 40 ［億円］ は、 セ ル の 価 格 ダ ウ ン に EDLC 民生機器 50 エネルギー 30 大型車両 80 風力発電 80 自動車 100 との組み合わせが 蓄 電 デ バ イ ス と EDLC モジュールの 標準化 キャパシタフォーラム 副会長 佐久間 一浩 大容量キャパシタの市場動向 図２ 2015 年の応用分野における売上高 （推定） 図１ 2020 年の大容量キャパシタの売上高予想 10 小型から 大容量キャパシタ 主流になる。 ◎ 現 状 の 400 億円市場に年率 ％の の容量３倍のリ 一 方 で、 従 来 の EDLC 億円上積みされ、 700 億円市場となる。 300 10 ［億円］ ％の伸 鉄道 韓国 とは別に、 EDLC 風力発電や太陽光発電など、 新エネルギー 億円 ◎期待市場規模 300 が大いに期待できる（図１）。 補 完 シ ス テ ム な ど、 幅 広 い 分 野 で の 採 用 動車、大型車両、鉄道、大容量エネルギー リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の 市 場 に 参 入 し、 自 シタなどの登場で、現状の ド キ ャ パ シ タ、 グ ラ フ ェ ン 大 容 量 キ ャ パ チウムイオンキャパシタ、ナノハイブリッ • 大型車両 80 風力発電 80 大型車両 200 各種 各種 風力発電 民生機器 Back up system Back up system 100 特殊 鉄道 車両 各種 100 100 Back up system 各種 Back up system 民生機器 自動車 100 欧州 中国 日本 エネルギー 自動車 大型車両 自動車 200 その他 100 民生機器 地域別にキャパシタに求められる特徴 100 ［億円］ 小型から 大容量 大容量キャパシタ キャパシタ 従来の 豪州 10 自動車 100 民生機器 50 エネルギー 30 伴 い、 使 用 用 途 が 拡 大 し て 毎 年 Blue Solution 億円 200 世界的に、電気二重層キャパシタ（以下： 2015年の市場状況 ◎市場規模 の独壇場の市場となる。 必 要 と す る 蓄 電 シ ス テ ム は、 キ ャ パ シ タ 分野の劣悪な自然環境での高速充放電を • ） の 市 場、 用 途、 特 徴 は、 日 本 と 他 EDLC 5 Maxwell、IOXUS、ほか２社 欧州 • その他 20 • 米国 機能性優先 用途別個別仕様 モジュールの 標準化 中国 特殊 車両 40 大容量 キャパシタ シタ その他 20 モジュールの 標準化 安全性優先 韓国 コン、エルナー、パナソニック、ルビコン、指月電気 の特徴 機能性優先 LS Mtron、Korchip、Vina Tech、Sanwha Electronic、 Pure Chem、CapSolution、Vitzro、Amotech モジュールの 標準化 標準化 SPSCAP、寧波南車、AOWEI、巨容能源、天津力神、 朝陽森源、ほか数社 の 推 定 需 要 は、 EDLC 億円と推定され 400 地域では大いに異なる（表１、 ２） 。 年度の 2015 売り上げ規模で る（図２） 。 そ の 根 拠 と し て は、 米 国 キ ャ ） に 提 出 の Annual NASDAQ パシタメーカーが米国証券取引 所（ および日本企業の外部公表 Report および中 数 字、 Korea work shop 400億 円 国のキャパシタメーカーの外部公表 数 字 を 基 に す る と、 ほ ぼ の場 となる（図３）。ただし、 EDLC 合 は、 セ ル 単 独 で の 出 荷 金 額 で は な く、 モ ジュールもしくはシステムでの供給となる 単独での需要 EDLC の で、 大 規 模 な シ ス テ ム に な れ ば 売 価 は 大 き な 数 字 に な る た め、 を調査することは難しい。 用 途 に つ い て は、 各 地 域 で だ い ぶ 様 相 が 異 な り、 民 生 機 器 か ら 宇 宙 分 野 ま で 応 用 例 は広がっている（図４） 。 蓄電デバイスの選択の考え方 図 ５ に、 各 デ バ イ ス の バ ッ ク ア ッ プ 時 間 と蓄電量の関係を示す。上の横軸がバックアッ プ 時 間（ １ 秒 以 下、 １ 秒 ～ １ 分、 １ 分 ～ １ 時間）、縦軸が出力、下の横軸が蓄電量を表 している。 以上の電力が出力さ ① １ 秒 以 内 に 1MW れるのはキャパシタ ② １分以内ではフライホイールが有利 ③ １ 時 間 以 内 で は リ チ ウ ム イ オ ン 電 池、 ニッケル水素電池が良い 電 池、 鉛 電 池 が 良 ④ そ れ 以 上 で は NAS い し た が っ て、 キ ャ パ シ タ の 用 途 は １ 秒 以 その他 その他 100 民生機器 100 民生機器 100 その他 3％ 韓国企業 13％ 日系企業 17％ 米国企業 37％ 中国企業 30％ 図 3 2015 年の EDLC メーカーの販売状況 （シェア（ ）推定） 表１ 大容量キャパシタメーカー 表１ 大容量キャパシタメーカー 日本 日本 韓国 韓国 中国 中国 米国 米国 欧州 欧州 豪州 豪州 自動車 特車 （HEV、EV、FCV） （フォークリフ 日本ケミコン、TOCC 搬送機 、アイオクサスジャパン 、ニチ （エレベータ、AGV、クレーン） 日本ケミコン、TOCC 、アイオクサスジャパン 、ニチ コン、エルナー、パナソニック、ルビコン、指月電気 コン、エルナー、パナソニック、ルビコン、指月電気 LS Mtron、Korchip、Vina Tech、Sanwha Electronic、 建設機械 LS Mtron、Korchip、Vina Tech、Sanwha Electronic、 Pure Chem、CapSolution、Vitzro、Amotech （ハイブリッド建機） Pure Chem、CapSolution、Vitzro、Amotech SPSCAP、寧波南車、AOWEI、巨容能源、天津力神、 EDLCの特徴 SPSCAP、寧波南車、AOWEI、巨容能源、天津力神、 朝陽森源、ほか数社 １．高出力で寿命が長い FA機器 朝陽森源、ほか数社 充放電サイクル寿命に実用上の制約 Maxwell、IOXUS、ほか２社 ２．エネルギー密度が化学電池より低い Maxwell、IOXUS、ほか２社 Blue Solution ３．残存容量・劣化状態検知が容易 Blue Solution 非常電源 ４．メンテナンスが容易または、ほとん ５．安全性が高い（化学的な危険性が低 電力品質改善 表 2 地域別にキャパシタに求められる特徴 （瞬低補償装置、UPS） 表 2 地域別にキャパシタに求められる特徴 中国 日本 欧州 韓国 中国 欧州 韓国 ソーラー発電 大型車両 自動車 日本 自動車 民生機器 （蓄エネ、安定化） 大型車両 自動車 自動車 民生機器 各種 各種 各種 風力発電 （安定化、ピッチ制御） 各種 up system 民生機器 各種 up system Back 各種 up system Back Back 用途 民生機器 Back up system Back up system Back up system 用途 各種 鉄道 各種 up system Back 鉄道 民生機器 特殊車両 Back up system 自動搬送機機器 大容量 小型から 大容量 小型から 複写機などの待機 キャパシタ 大容量 建設機械 工場用各種ロボッ ト 小型から 大容量 小型から 時間の省エネ キャパシタ 大容量キャパシタ キャパシタ 大容量キャパシタ キャパシタ の特徴 キャパシタ 大容量キャパシタ キャパシタ 大容量キャパシタ 自動販売機などの緊急 AGV 機能性優先 安全性優先 機能性優先 の特徴 ポー トトラック 急速充電システム 時の電力バックアップ 機能性優先 安全性優先 機能性優先 モジュールの モジュールの モジュールの 標準化 用途別個別仕様 モジュールの モジュールの モジュールの 標準化 標準化 標準化 標準化 用途別個別仕様 標準化 図４ 期待される大容量キャパシタの応用分野 標準化 標準化 電池/電力 自動車 回生システ アイドリング トップ・シス その他 その他 20 20 自動車 自動車 200 200 エネルギー 民生機器 民生機器 50 自動車 6 30％ 図 3 2015 年の EDLC メーカーの販売状況 （シェア（ ）推定） 自動車 （HEV、EV、FCV） 搬送機 （エレベータ、AGV、クレーン） 特車・輸送機 （フォークリフト、塵介車など） 電車・気動車 （エネルギー回生） 建設機械 （ハイブリッド建機） 工作機械 EDLCの特徴 （プレス機など） １．高出力で寿命が長い 充放電サイクル寿命に実用上の制約がない ２．エネルギー密度が化学電池より低い ３．残存容量・劣化状態検知が容易 ４．メンテナンスが容易または、ほとんど必要ない ５．安全性が高い（化学的な危険性が低い） FA機器 非常電源 OA機器 （複写機、プロジェクター） 家電 電力品質改善 （瞬低補償装置、UPS） 通信電源 ソーラー発電 （蓄エネ、安定化） 電力平準化 風力発電 （安定化、ピッチ制御） （マイクログリッドなど） 電池/電力アシスト 自動搬送機機器 民生機器 自動車 鉄道 自然エネルギー 建設機械 工場用各種ロボット 複写機などの待機 時間の省エネ 回生システム 回生システム 電圧安定化システム ポートトラック AGV 急速充電システム 自動販売機などの緊急 時の電力バックアップ アイドリング・ス トップ・システム 架線レス鉄道車両 瞬間電圧低下防止 システム 特殊車両 図４ 期待される大容量キャパシタの応用分野 10k 100k 1M 蓄電量 ［Wh］ 10M 【Aタイプ表示】 ❸ ❷ ❶ たマツダ「アテンザ」（図６） （ ２）運 動 エ ネ ル ギ ー を 最 大 限 利 用 し て 充放電で燃費改善したラバーガントリー クレーン（図７） EV バ ス に リ チ ウ ム 電 池 を 使 用 せ ず、 P I TC H バス（図８） EV （ ３） MW 以 上 の 風 車 の にキャパシタを採用し CONTROLL ）地 下 鉄 に キ ャ パ シ タ 蓄 電 シ ス た大型風車（図９） （ テ ム を 採 用 し、 回 生 失 行 を 防 止 し、 回生エネルギーで駅構内の省エネに 10 ） 7 貢献する地下鉄、鉄道（図 これからのキャパシタの技術動向 キ ャ パ シ タ は 蓄 電 デ バ イ ス で 唯 一、 希 少 金 属 を 使 用 し な い。 世 界 が 抱 え る 環 境 問 題 、 資 源 問 題 を 鑑 み た 時 に、 自 然 由 来（ ヤ シ 柄 ） の 材 料 か ら 製 造 キャパシタ電圧に呼応し、最適な 発電電圧に可変 （12～25V）。 スムーズにキャパシタへ電気を送 る。 5 （ ４） １ 図５ 各デバイスのバックアップ時間とエネルギー量の関係性 可変電圧式オルタネータ 内での大容量の充放電に最適 1k であることが分かる。 鉛蓄電池 1k 0.1k 大容量キャパシタの導入事例 10k 本格的な大容量キャパシタ リチウムイオン電池 ニッケル 水素電池 NAS 電池 キャパシタを採用したキャパシタの急 1M ［W］ EDLC 100k の採用事例を、以下に紹介する。 10M 出 力 １時間 速充放電システム・ フライホイール SMES （超電導エネルギー貯蔵） （１）ブレーキエネルギーを最 100M １分 大 に 回 生 し、 省 エ ネ を 実 現 し １秒 1,000M 【Bタイプ表示 ❶ ❸ i ELOOP作動表示（MID） i ELOOPのエネルギーフローをMIDに やすく表示。 回生量とキャパシタ残量が一目で分か ２種類のビジュアルから好みで選べる 【表示内容】 ❶エネルギー回生量 ❷キャパシタ残量 ❸エネルギーフロー（チャージ／供給） 0.1k 0.1k 1k 1k 10k 100k 1M 1M 10k 100k 蓄電量 ［Wh］ 蓄電量 ［Wh］ 10M 10M 図５ 各デバイスのバックアップ時間とエネルギー量の関係性 図５ 各デバイスのバックアップ時間とエネルギー量の関係性 【Aタイプ表示】 【Aタイプ表示】 ❸ ❸ ❷ ❷ ❶ ❶ 【Bタイプ表示】 【Bタイプ表示】 ❷❷ ❶❶ ❸❸ i ELOOP作動表示 （MID） i ELOOP作動表示 （MID） i ELOOPのエネルギーフローをMIDに分かり i ELOOPのエネルギーフローをMIDに分かり やすく表示。 やすく表示。 回生量とキャパシタ残量が一目で分かる。 回生量とキャパシタ残量が一目で分かる。 ２種類のビジュアルから好みで選べる。 ２種類のビジュアルから好みで選べる。 【表示内容】 【表示内容】 ❶エネルギー回生量 ❶エネルギー回生量 ❷キャパシタ残量 ❷キャパシタ残量 ❸エネルギーフロー （チャージ／供給） ❸エネルギーフロー（チャージ／供給） 可変電圧式オルタネータ 可変電圧式オルタネータ キャパシタ電圧に呼応し、最適な キャパシタ電圧に呼応し、最適な 発電電圧に可変 （12～25V）。 発電電圧に可変（12～25V）。 スムーズにキャパシタへ電気を送 スムーズにキャパシタへ電気を送 る。 る。 12Vバッテリ 12Vバッテリ DC DCコンバータ DC DCコンバータ 最大25Vのキャパシタ電圧を12Vへ降圧し、 最大25Vのキャパシタ電圧を12Vへ降圧し、 各電装品へ供給する。 各電装品へ供給する。 出典：マツダ（株） 電気二重層キャパシタ 電気二重層キャパシタ 電池のように化学反応を伴わず、電気を電気のまま 電池のように化学反応を伴わず、電気を電気のまま ため込むことができる蓄電装置。 ため込むことができる蓄電装置。 出典：マツダ（株） 図６ 世界初の本格的キャパシタ仕様車両マツダ「アテンザ」 図６ 世界初の本格的キャパシタ仕様車両マツダ「アテンザ」 40％ 燃費改善 40％ 燃費改善 RTG RTG 上昇 放電 上昇 放電 下降 充電 下降 充電 定常発電 発電機 定常発電 発電機 図７ キャパシタ仕様のラバーガントリークレーン 回生エネルギーの充放電パターン 回生エネルギーの充放電パターン 100,000 80,000 100,000 60,000 80,000 モジュール 40,000 60,000 20,000 40,000 0 20,000 －20,000 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111［s］ 0 －40,000 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91時間 101［s］ 111［s］ －20,000 －60,000 電力［W］ －40,000 ディーゼル 時間 ［s］ －80,000 電圧［V］ －60,000 電力［W］ ディーゼル －100,000 －80,000 電圧［V］ －100,000 EDLC モジュール EDLC ＋ ＋ 図７ キャパシタ仕様のラバーガントリークレーン 可能な唯一のデバイスである。 し か し、 他 の デ バ イ ス と 比 較 し て、 電 気 を 蓄 え る 量（ エ ネ ル ギ ー 量 ） だ け が 蓄 電 デ バ イ ス と し て 評 価 さ れ な い。 そ こ で 今 後 期 の４倍のエネルギー 待 で き る の が、 EDLC 容量が期待されるナノハイブリッドキャパ ）。 次 世 代 シ タ、 リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ な ど の 次 世 代 キ ャ パ シ タ で あ る（ 図 キ ャ パ シ タ の 登 場 に よ り、 本 来 の キ ャ パ シ タ の 良 さ（ パ ワ ー 密 度 ） と デ バ イ ス の 小 型 化、 高 エ ネ ル ギ ー 化 に よ り、 シ ス テ ム 全 体 のダウンサイジングと周辺部品の低コスト化、 製品の長寿命化など、多くの成果が得られる。 現 在、 リ チ ウ ム イ オ ン 電 池 の さ ら な るエネルギー密度向上とコストダウンを 市 場 は 求 め て い る が、 希 少 金 属 を 使 用 し、 デ バ イ ス の 制 御 技 術 が 負 担 に な る ば か り で 、「 環 境 に 優 し く 市 場 に 低 コ ス ト で提供する」という本来の目的が失われ て い る と 言 わ ざ る を え な い。 そ こ で 今 後 11 8 ハブ(ローターヘッド) ハブ(ローターヘッド) ハブ(ローターヘッド) ナセル ナセル ナセル ハブ(ローターヘッド) ブレード ブレード ナセル ブレード EDLC仕様 EDLC仕様 バックア バックア ップ電源 ップ電源 EDLC仕様 バックア ップ電源 寧波公共交通 EDLCバス （18t） 寧波公共交通 EDLCバス （18t） バス停で、10秒で充電1km走行 バス停で、10秒で充電1km走行 バス停横の急速充電ESSはEDLC バス停横の急速充電ESSはEDLC ブレード タワー タワー EDLC仕様 バックア ップ電源 風力発電機 風力発電機 発電量：7,000kW 発電量：7,000kW （年間：2,000万kWh） （年間：2,000万kWh） ブレード回転直径：126m ブレード回転直径：126m タワー 出典：ENRCON 出典：ENRCON GmbH GmbH タワー 風力発電機 発電量：7,000kW （年間：2,000万kWh） 風力発電機 ブレード回転直径：126m 図８ 中国 EDLC 仕様バス 図 9 EDLC 図 9 EDLC 仕様仕様 風力発電設備 風力発電設備 （年間：2,000万kWh） 図８ 中国 EDLC 仕様バス 寧波公共交通 EDLCバス （18t） 出典：ENRCON GmbH 発電量：7,000kW バス停で、10秒で充電1km走行 バス停横の急速充電ESSはEDLC 出典：ENRCON GmbH 図 9 EDLC 仕様 風力発電設備 図８ 中国 EDLC 仕様バス 図 9 EDLC 仕様 風力発電設備 狙い狙い 変電所 変電所 変電所内にEDLC蓄電装置を設置し、 変電所内にEDLC蓄電装置を設置し、 地下鉄車両回生エネルギーの蓄積と 地下鉄車両回生エネルギーの蓄積と 狙い 変電所 地上式回生エネルギー蓄積装置 再利用 再利用 変電所内にEDLC蓄電装置を設置し、 架線電圧変動の抑制 架線電圧変動の抑制 DC DC EDLC 地下鉄車両回生エネルギーの蓄積と 回生失効防止 回生失効防止 再利用 省エネルギー 省エネルギー 架線電圧変動の抑制 装置外観 装置外観 回生失効防止 架線 省エネルギー 装置外観 列車 蓄電装 再利用 開発概要 開発概要 北京交通大学が、200kWクラスのEDLC回生エネルギー蓄電装 北京交通大学が、200kWクラスのEDLC回生エネルギー蓄電装 置のモデル機を開発 置のモデル機を開発 開発概要 システム構成図 北京地下鉄10号線車両基地で、回生エネルギーの蓄積と再利用 北京地下鉄10号線車両基地で、回生エネルギーの蓄積と再利用 主要諸元北京交通大学が、200kWクラスのEDLC回生エネルギー蓄電装 効果の検証に成功 効果の検証に成功 置のモデル機を開発 入力電圧 ［V］ 500～900 北京地下鉄10号線向けのMWクラスの実用装置を開発中 北京地下鉄10号線向けのMWクラスの実用装置を開発中 北京地下鉄10号線車両基地で、回生エネルギーの蓄積と再利用 出力電圧 ［V］ 250～500 効果の検証に成功 出力電流 ［A］ 400 北京地下鉄10号線向けのMWクラスの実用装置を開発中 出典：北京交通大学 出典：北京交通大学 楊教授 楊教授 出力［kW］ 200 楊教授 モジュール ［V/F］ 125/63 図出典：北京交通大学 10 地下鉄における EDLC 回生エネルギー蓄積装置 図 10 地下鉄における EDLC 回生エネルギー蓄積装置 モジュール接続 ４直列を２並列 図 10 地下鉄における EDLC 回生エネルギー蓄積装置 図 11 2020 年実現のキャパシタの技術動向 列車 主要諸元 主要諸元 入力電圧 入力電圧 ［V］ ［V］ 出力電圧 出力電圧 ［V］ ［V］ 主要諸元 出力電流 出力電流 ［A］ ［A］ 入力電圧 ［V］ 出力 ［kW］ 出力［kW］ 出力電圧 ［V］ モジュール モジュール ［V/F］ ［V/F］ 出力電流 ［A］ モジュール接続 モジュール接続 出力 ［kW］ システム構成図 システム構成図 システム構成図 モジュール［V/F］ モジュール接続 500～900 500～900 250～500 250～500 400400 500～900 200200 250～500 125/63 125/63 400 ４直列を２並列 ４直列を２並列 200 125/63 ４直列を２並列 2020年 2020年 は、 最 適 化 の デ バ イ ス の 組 み 合 わ せ 技 術 が 2.8V 5Wh 列車列車 架線 不可欠になる。 3.0V 20Wh EDLC こ こ で は、 そ の 代 表 的 事 例 と し て ５ 件 を EDLC 電気二重層 キャパシタ 3.5V 40Wh DC DC 架線架線 紹 介 し た が、 さ ら に こ れ ら の 市 場 は 拡 大 す 2016年 ナノハイブリッド キャパシタ、リチ ウムイオンキャパ シタ… 次世代大容量 ハイブリッド キャパシタ 地上式回生エネルギー蓄積装置 ることが期待できる。 2017年 DC DC DCEDLC EDLC 変電所 （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 2020年 地上式回生エネルギー蓄積装置 地上式回生エネルギー蓄積装置 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） 装置 9 ブレード回転直径：126m 次世代大容量 次世代大容量 2020年 ハイブリッド ハイブリッド キャパシタ キャパシタ 次世代大容量 ナノハイブリッド ナノハイブリッド 2017年 ハイブリッド キャパシタ、リチ キャパシタ、リチ 3.5V3.5V キャパシタ ウムイオンキャパ ウムイオンキャパ ナノハイブリッド 40Wh 40Wh キャパシタ、リチ シタ… シタ… 3.5V 2016年 2016年 ウムイオンキャパ 40Wh 3.0V 3.0V EDLC EDLC シタ… 2016年 20Wh 電気二重層 電気二重層 20Wh 3.0V EDLC キャパシタ キャパシタ 20Wh 電気二重層 2.8V2.8V キャパシタ 5Wh5Wh 2.8V 5Wh 2017年 2017年 図 11 2020 年実現のキャパシタの技術動向 図 11 2020 年実現のキャパシタの技術動向 図 11 2020 年実現のキャパシタの技術動向 ⑤ハイブリッドキャパシタ出願状況 ポイント ① 2010 年を境として中国 / 韓国 / 欧州の出願がグラフェン、リチウム、 ハイブリッド等のキャパシタ出願状況が増加している。 ②特にリチウムイオンキャパシタの出願の伸びが 2006 年と 2006 年→ 2013 年では 4 倍に増加している。 ③日本の出願数は他を圧倒してるがビジネス規模は中国が日本の 5 倍近い 規模で増加している。 （2016 年度キャパシタフォーラム会報「キャパシタ 市場規模参照」） ①－１技術区分（キャパシタの種類）別－出願人国籍別出願件数と出願件数比率 （日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：1988 － 2113 年） 1988 － 2006 年 電気二重層キャパシタ 7,580 レドックスキャパシタ 725 ハイブリッドキャパシタ一般 297 リチウムイオンキャパシタ 681 そ の 他 14 2007 － 2013 年 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ 8,615 レ ド ッ ク ス キ ャ パ シ タ 184 ハイブリッドキャパシタ一般 835 リチウムイオンキャパシタ 2,883 そ の 他 16 件 件 件 件 件 件 件 件 件 件 リチウムイ ハイブリッ オンキャ ドキャパシ パシタ 681 タ一般 7.3% 297 3.2% その他 14 0.2% レドックス キャパシタ 725 7.8% リチウムイ オンキャ パシタ 2883 ハイブリッ 23.0% ドキャパシ タ一般 835 6.7% レドックス キャパシタ 184 1.5% 年度特許出願技術動向調査 平成 ー ー電気化学キャパシタ ③電気二重層キャパシタキャパシタ 出願状況 ④リチウムキャパシタ出願状況 キャパシタフォーラム 副会長 佐久間 一浩 ①キャパシタの種類別件数と出願人 国籍別内訳 ②グラフェン材料の出願状況 27 電気二重 層キャパ シタ 7580 81.5% その他 16 0.1% 電気二重 層キャパ シタ 8615 68.7% 10 ①－ 2 技術区分（キャパシタの種類）別－出願人国籍別出願件数推移 （日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：1988 － 2013 年） 技術区分 電気二重層キャパシタ レドックスキャパシタ ハイブリッドキャパシタ一般 リチウムイオンキャパシタ その他 日本 米国 10,912 1,747 412 189 386 209 2,597 283 17 5 欧州 1,362 161 104 231 1 中国 699 49 248 142 1 韓国 1,091 52 138 249 5 その他 384 46 47 62 1 ② 技術区分（グラフェン）－出願人国籍別出願件数推移 （日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：2006-2013 年） 出願人国籍 日本 米国 欧州 中国 韓国 その他 11 2006 5 1 0 0 0 0 2007 0 0 0 0 0 0 2008 7 6 0 3 0 0 2009 6 4 0 3 10 0 2010 16 17 11 13 8 0 2011 23 21 1 10 19 2 2012 7 20 20 82 16 8 2013 9 6 3 89 30 4 ③ 注目出願人おける技術区分（電気二重層キャパシタ） －出願件数年次推移（日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：2006-2013 年） 注目出願人 サムスン電機 LG 化学 コーニング 海洋王照明科技 マックスウェル テクノロジーズ ブルーソリューションズ＋バッツキャップ BASF 中国科学院 ビナ ・ テクノロジー 清華大学 クラレ＋クラレケミカル 日本ケミコン JM エナジー 2006 0 49 6 0 11 6 0 1 0 0 8 9 0 2007 3 23 16 0 5 19 7 1 0 8 7 29 1 2008 0 30 22 0 6 12 7 3 3 3 3 23 1 2009 58 24 4 0 0 0 4 4 1 10 7 21 2 2010 80 8 44 28 0 0 6 6 0 3 1 28 3 2011 78 43 41 29 0 21 10 1 24 0 0 29 10 2012 26 21 8 84 15 37 13 12 16 10 4 22 4 2013 7 0 10 22 2 8 0 17 6 1 2 13 2 ④ 注目出願人おける技術区分（リチウムイオンキャパシタ） －出願件数年次推移（日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：2006-2013 年） 注目出願人 サムスン電機 LG 化学 コーニング 海洋王照明科技 マックスウェル テクノロジーズ ブルーソリューションズ＋バッツキャップ BASF 中国科学院 ビナ ・ テクノロジー 清華大学 クラレ＋クラレケミカル 日本ケミコン JM エナジー 2006 0 7 3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 4 2007 0 0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 7 3 2008 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 2 8 2009 6 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 1 17 2010 82 0 0 9 0 0 4 0 2 0 5 9 28 2011 21 0 0 2 0 9 5 0 8 0 0 9 24 2012 16 0 3 4 0 0 6 2 4 0 1 1 9 2013 0 0 1 0 1 0 0 5 4 2 3 6 8 ⑤ 注目出願人おける技術区分（ハイブリッドキャパシタ） －出願件数年次推移（日米欧中韓への出願、出願年（優先権主張年）：2006-2013 年） 注目出願人 サムスン電機 LG 化学 コーニング 海洋王照明科技 マックスウェル テクノロジーズ ブルーソリューションズ＋バッツキャップ BASF 中国科学院 ビナ ・ テクノロジー 清華大学 クラレ＋クラレケミカル 日本ケミコン JM エナジー 2006 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2007 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2008 0 0 0 0 5 0 0 0 0 2 0 1 0 2009 9 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 2 0 2010 13 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 5 0 2011 17 0 5 0 0 0 0 0 2 0 0 3 1 2012 9 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 0 0 2013 0 10 0 0 1 0 0 7 0 2 0 0 0 12 そこで今回、 前 後 ）、 ではその LiB と LiB 、これらの特 EDLC だ一部にとどまっている。 トラックス（株） 佐々木 正和 UD 電気二重層キャパシタの応用 への Li ー 応用の可能性比較 xEV Bus ion/EDLC 多様な 上智大学 客員研究員、元・ 多様なxEV Bus の現状 減取り組みの１ CO削 2 徴と各種 自動車の省エネ・ つ と し て、 国 内 外 と も に 路 線 バ ス の 電 動 化 討することで 万 の寿命推定に EDLC 各 xEV LiB/EDLC の寿命等比較検討方法 x E V B u sの 燃 料 経 済 性 お よ び 種方式の比較検討を試みた結果を紹介する。 よるライフサイクルコストを含めて と 一助になればと、 LiB 普及の方向性探索の xEV Bus 方式との関係について比較検 xEV を推進中である。それら事例を図１に示すが、 ） LiB ） EDLC 電池（ Li-ion 化 ） が 進 ん で お り、 xEV ）は ESS 電 動 方 式 の 多 様 化（ 搭載蓄電装置（ が主体で、電気二重層キャパシタ（ は 少 数 で あ る。 し か し な が ら 路 線 バ ス は 長 年、 走 行 寿 命 で あ り（ 車 両 寿 命 は 国 内 外 と も に お よ そ 実 用 上 許 容 さ れ る 交 換 回 数 に つ い て、 ま た クルコストを比較検討するための車両仕 の 寿 命 を 予 測 し、 ラ イ フ サ イ び LiB/EDLC 各 種 xEV Busに お け る 燃 費・ 電 費 お よ 割高となる交換用電池含めたライフサイク 様、 検 討 条 件 を 表 １ に 示 す。 と LiB 中国 安凱汽車HV Bus キャパシタ 約0.5kWh エンジン 162kW 寿 命 特 性 か ら 電 池 交 換 を 要 す る で あ ろ う が、 ルコストと普及可能性の関係についてなど 商 用 車 用 の 場 合 を 想 定 し て い る。 本 検 討 は、 走 xEV コストは ESS 大 き な 課 題 が あ り、 電 動 化 方 式 の 本 命 は 模 索 途 上 の よ う で あ る。 一 方、 劣化モデルを組み込んだ LiB/EDLC 行 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 用 い て 行 っ た。 な お、 中国 常隆客車EV Bus LiB 300kWh + EDLC 出典：各社ニュースリリース、ホームページおよび取材 の高精度な寿命予測方法が本 EDLC 検 討 に お け る 最 重 要 因 子 で あ り、 以 下 に 詳 13 は長寿 EDLC への応用は未 命を特長とするが、 xEV Bus 図１ 日中欧において市場導入（実証試験含む）された xEV Bus 例 HV ：Hybrid Vehicle SHV：Series HV PHV：Plug in HV EV ：Electric Vehicle（Battery搭載） 中国 上海 キャパシタEVバス キャパシタ約10kWh バス停で急速充電 充電時間90秒前後 京都急行バス導入 中国 BYD EV Bus 車重14.5t、総重量18.5t LiB 324kWh 中国 金旅客車 Plug in HV ドイツMAN SHV Bus （EDLC + LiB） キャパシタ最大200kW 約0.7kWh モータ 150kW エンジン 184kW Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ 応 用 中国 安凱汽車EV Bus LiB 300kWh 京都市交通局実証試験 バス （三菱重工EV バス） LiB ？kWh 充電間隔最大30km 川崎臨港バス導入 東芝EVバス 総重量15.4ｔ LiB 57kWh 充電間隔最大40km Volvo HV Bus LiB 4.8kWh モータ 120kW エンジン 177kW Volvo PHV Bus Parallel HV LiB 19kWh モータ 150kW エンジン 177kW 充電～6分 中国 上海 電池交換・充電のため 大規模拠点で電池交換 中のEVバス WASEDA号 非接触充電EVバス 三菱ふそうSHVバス LiB 15 ？kWh モータ 79×2kW エンジン 132kW 多頻度充電式EV Full Battery EV いすゞ HVバス LiB 3.9kWh モータ 44kW エンジン 191kW km 電池交換式EV Ｌ ｉ Ｂ 応 用 60 Plug･in HV Series HV Parallel HV 15 述する。 １・LiB の劣化予測方法 加成分法といわれる新たな劣化量予測方 法、 す な わ ち サ イ ク ル 劣 化 成 分 と サ イ ク ル 稼働中含む時間劣化成分を完全に分離予測し、 合算するという国プロ研究報告 ⑴を応用した 寿命の関 LiB 劣 化 モ デ ル を 用 い た。 今 回 の 検 討 で、 こ LiB の加成分法がサイクル負荷と LiB 劣化モデルの概要 表１ 車両仕様および検討条件 Parallel HV Bus Series HV Bus EV Bus 比較車 車両総重量 検討重量 18,000 kg（日本では≦ 15,000kg だが、世界平均レベルで検討） 半積相当 15,750 kg エンジン ― モータ ― 発電機 ― 最大出力 150kW、最大トルク 1,200Nm ― 燃費 / 寿命検討路 登坂性能検討路 LiB コスト EDLC コスト ― 電気料金 ― 22 円 /kWh/ 昼間、15 円 /kWh/ 深夜 110 円 /L 環境温度 （ESS 劣化関連） 電 池 交 換 回 数 （ 車 両 寿 命 １ ５ 年 想 定 ） ― 昼間：春 / 秋 22℃、夏 33℃、冬 12℃ 夜間： 15℃、 25℃、 7℃ ― LiB応用xEV Bus LiB寿命と電池交換回数 Plug in HV の SOCパターンイメージ ⇒ 走行パターン① EV HV Plug in 想定目 標下限 約１時間 ①EV 1回/h （ サ 稼 働 80 イ 中 寿命８年相当レベル ク 60 ル の 劣 サ 40 化 イ 割 ク 20 合 ル 劣 ［％］化 分 ） 100 100 150 200 300 400 約10分（充電間隔） 2 LiB車載 容量［kWh］ 走行パターン② EV EV HV 約3分 約30分 ②EV 2回/h 4 0 ― ion Battery system ：8 万円 /kWh、交換用 1.3 倍 EDLC system ：198 万円 /kWh（セル F 換算 2 円 /F） 軽油価格 （ Ｌ 年 12 ｉ 間 Ｂ ４ 10 推 万 8 定 ｋ 寿 ｍ 6 命 想 ［年］定 4 ） ～ 75、～ 120kW 都市バスモード（市街 + 郊外、平坦路）：平均車速 16.7km/h バス登坂路（郊外）：平均勾配 +2.1%、最大 7%、平均 18.6km/h 5 7.5 10 Parallel HV ディーゼル 190kW 10 15 20 Series HV Type1 ディーゼル 75kW 20 35 50 Plug in Parallel HV ディーゼル 190kW 20 35 50 Plug in Series HV ディーゼル 75kW 25 50 多頻度充電 EV バス停などで充電 電池交換 EV 交換1回/日 Full Battery EV 図２ LiB 応用 xEV Bus における LiB 寿命、電池交換回数などに関する検討結果 14 （ Ｓ Ｏ 14 登 Ｃ 3分適応 10分適応 坂 低 12 適応 力 下 適応領域 登坂力不足 適応領域 領域 20 不 登 6分適応 足 坂 （ 10 頻 路 度 Ｓ 最 走 0 Ｏ 大 ［％］行 実用上の上限（想定レベル） 充電間隔約3分 約6分 約10分 Ｃ 最 時 60 作 小 間 動 Ｓ 40 比 幅 Ｏ 率 ［％］Ｃ 20 ） 差 0.4 0.55 0.7 1.0 0.7 1.0 1.6 2.0 0.7 1.0 1.5 2.0 4 5 6 7 8 9 ） 充電間隔 Series HV Type2 Series HV Type1 ３分：0.8km 多頻度充電 EV EDLC車載 Parallel HV 発電用ディーゼル 120kW 発電用ディーゼル 75kW ６分：1.6km （バス停などで急速充電） 容量 ［kWh］ ディーゼル 190kW （Range extender EV想定） （大出力エンジン・発電機） 10分：2.7km 16 係を明確に示した（図２）ことから、 と LiB 応用の棲み分け検討などに有効であ EDLC ％ 減 と し た。 以 の 寿 命 限 度 は、 多 く ると考える。なお、 LiB の事例を参考に容量劣化 劣化モデルの概要である。 LiB ２ EDLC の劣化予測方法 下は、 20 に 示 し た よ う に 四 季 別 昼 夜 別 に 設 定 し、 サ イクル稼働中のセル温度上昇予測については、 強めの空冷モデルを用いた。 LiB/EDLC 応用xEV Bus の 走行性能の特徴と蓄電装置寿命の比較 の寿命と電池交換回数およ 図 ２ は、 LiB び寿命と相関の強いサイクル劣化割合に関 の劣化は、電圧と温度の履歴によ EDLC り 予 測 が 可 能 で あ り、 容 量 劣 化 に つ い て は、 搭 載 容 量 増 加 に 対 し、 LiB わ る 結 果 で あ る。 搭 載 容 量 で は、 本 LiB 年 程 度 に 対 し、 図 １ に 示 し た xEV Busの 線バス寿命 次 式 で 表 せ る と い う の が 一 般 的 で あ り、 経 (E1 / 寿 命 は お お よ そ 比 例 し て 延 び て い る が、 路 ・ :L1=L 0 験 的 に も 信 頼 で き る の で、 こ の 方 法 を ベ ー ス と し た。 寿 命 ま で の 時 間 現状の 検討条件においては車両使用過程中での電 減を寿命 ℃、 定 格 電 圧 ） で 池 交 換 が 全 車 種 で 必 須 で あ る。 交 換 が せ め 検 : 討温度 基 : 準 点 電 圧、 基 : 準 点（ :検 討 点 て １ 回 で 済 む こ と、 す な わ ち 寿 命 は ８ 年 程 ℃、 、 m=10.5℃、 n=8.35 系や多頻度充電 で ％を超える 全車種において xEV 寿命８年超とするにはかなりの容量 LiB が 必 要 で あ る。 な お、 は、 クル劣化割合の高い 度 以 上 と い う ニ ー ズ が 強 い よ う だ が、 サ イ ： 、容量劣化 E )-n.2(T0-T1)/m[h] 0 と す る。 の寿命時間 、 基 : 準温度 ：寿命は n m ､ 乗 に 反 比 例、 m 電圧 % E1 25 ［℃］上昇で半減。今回、現状の中間耐久性 レ ベ ル を 想 定 し、 EV 寿命は電圧の 20 T1 L0= 52,000 とした。劣化推定精度の支 h HV n 25 E0 L0 15 サ イ ク ル 劣 化 割 合 が、 お よ そ 50 想定車両寿命 18 . 配 的 因 子 は 温 度 で あ る が、 環 境 温 度 は 表 １ 15 20 T0 20年超 を含む EDLC応用xEV Bus EDLC容量とEDLC寿命、SOC作動幅、登坂性能との関係 Ｅ （ Ｄ 年 Ｌ 間 Ｃ ４ 推 万 定 ｋ 寿 ｍ 命 想 定 ［年］） 図３ EDLC 応用 xEV Bus における EDLC 寿命および登坂性能などに関する検討結果 ） LiB応用xEV Bus 車両効率・燃料費削減効果額とLiBのライフサイクルコスト Tank to Wheel 交換電池のコストアップ 1.3倍想定 100 車 両 効 50 率 ［％］ 0 350 300 250 （ 燃 料 費 削 減 額 ﹇ 万 万 円 円 年 年 ﹈ ﹈ Ｌ ｉ Ｂ コ ス ト ﹇ 車両効率 燃費削減額 LiB コスト 200 150 費用対効果 Diesel Bus 大幅逆転 効率25% 費用対効果 大幅逆転 / / 100 50 0 5 LiB車載 容量［kWh］ 7.5 10 10 15 20 20 Series HV ディ－ゼル Parallel HV ディ－ゼル 35 50 20 Plug in Parallel HV ディ－ゼル 35 50 25 Plug in Series HV ディ－ゼル 50 100 100 150 200 300 400 多頻度充電 EV バス停などで充電 電池交換 Full Battery EV EV Batt.2個/台 （充電時間帯：Plug in HV：昼間のみ、多頻度EV：走行途中（ただし、１日の最終は夜間）、電池交換EV：昼/夜各１回、Full Battery EV：夜間のみ） 図４ LiB 応用の場合の車両効率と燃費削減効果額および電池コストに関する検討結果 xEV Bus、LiB/EDLC応用の実用性比較 燃費削減効果額 LiBコスト（寿命残分含まず⇒リユース） LiB/EDLCコスト（寿命残分含む） （燃料費削減効果額、ESS コスト、電池交換回数） ⁄ 120 Ｌ ｉ 燃 100 Ｂ 料 Ｅ 費 80 Ｄ 削 Ｌ 減 Ｃ 効 60 果 コ 額 40 ス ﹇ 万 ト ﹇ 円 20 万 円 年 0 ﹈ 年 ﹈ 約3～10分 充電間隔 約10分 約3分（充電間隔） 約6～10分 約3～6分 / / 5 7.5 10 LiB LiB車載 Parallel HV 容量 ［kWh］ ディーゼル 190kW 10 15 20 25 LiB Series HV ディーゼル 75kW 50 0.55 7.0 LiB 多頻度充電 EV 1.0 EDLC Parallel HV ディーゼル 190kW 1.0 1.5 2.0 EDLC Series HV ディーゼル 120kW 4 5 6 7 8 9 EDLC 多頻度充電EV （バス停などで急速充電） 電 池 3 交 2 換 回 1 数 0 EDLC容量 ［kWh］ 図５ xEV Bus に LiB/EDLC 応用の場合の経済性・実用性比較 と ８ 年 以 下 の 短 寿 命 と な っ て い る。 サ イ ク 応 用 に お い て は、 経 済 性 は 後 LiB 応用の際の１つの指標にな ル劣化割合が LiB る よ う だ。 述 す る と し て、 普 及 性 か ら 許 容 さ れ る 電 池 交 換 回 数 が 大 き な 課 題 で あ る と 考 え ら れ る。 応 用 で は、 出 力 密 度 は 高 い EDLC の特 EDLC 一 方、 が、 エ ネ ル ギ 密 度 は 低 い と い う 応用 EDLC 車種に対して検討を行っ xEV 徴 に 適 応 し、 か つ 図 １ に 示 し た 事例に沿った 程 度、 シ 0.5 kWh た。その結果を図３に示す。寿命については、 HV では搭載量 年間 15 パラレル でも 1kWh 程度の小容量で につい EV リーズ 無 交 換 が 可 能 で あ り、 多 頻 度 充 電 て は、 走 行 に 必 要 な 容 量 で あ れ ば 寿 命 の 問 題 は 皆 無 と い う 結 果 で あ る。 し か し、 長 寿 では登坂 命でもエネルギー容量が少ないということ タイプのシリーズ では SOC EV HV か ら、 エ ン ジ ン ／ 発 電 機 出 力 の 小 さ い エ ク ステンダー 性 能 が 低 下 し た り、 多 頻 度 充 電 作 動 範 囲 が 大 き く な り、 実 用 上 の 電 圧 範 囲 よ り 低 下 し て し ま う な ど の 問 題 か ら、 寿 命 EV HV 16 より実用性を重視して車載容量を増やすな どの必要があるようだ。 EDLC応 用 の 場 合 に つ い て、 LiB 必要があるようだ。 一 方、 と、 よりも EDLC 応用の方が有望である LiB の 可 能 性 は、 現 状 の 検 討 条 車 種 が あ る こ と が 分 か っ た。 特 に、 大 xEV 容量電池搭載 件 で は か な り 厳 し い こ と が 分 か っ た。 今 後、 応 用 と の 対 比 で 図 ５ に 示 す。 燃 料 費 削 減 効 の充 果額は、 EDLC より若干経済 LiB 放電効率が良い分だ xEV Bus に お け るLiB/EDLC 長 寿 命 で 高 性 能、 低 コ ス ト な 次 世 代 型 では はもちろん、 Plug-in や多頻度 方式についても普及の可能性を有し ようであり、充電インフラ方式との兼ね合い、 ると考えられる。 法などの充実を図ることも重要な課題であ 寿命予測や充電インフラを含めた最適化手 て お り、 そ れ ら の 効 果 的 な 普 及 加 速 に 向 け、 充電 たずに な ど の 出 現 が 待 た れ る が、 そ れ を 待 EDLC LiB/ け 少 し 増 額 と な る こ と も 加 わ っ て、 パ ラ レ ルおよびシリーズ 性がよくなるようだ。多頻度充電 は、 ディーゼルバスとの比較による省エネ効果 ３ ～ ６ 分（ の場合は、 ／燃料費削減効果額が数回電池交換する場 と同等の経済性となる 電 間 隔 の 場 合 に LiB 分以上の充電間隔には適応が難しい ）程度の短区間充 1.6km 合を含めた電池ライフサイクルコストの数 が、 ～ 0.8 倍 の 省 エ ネ 効 果 額 で あ り、 経 済 性 に 優 れ る。 応用との棲み分けの可能性が 最 適 化 で LiB は 電 池 交 換 式 含 め、 車 両 効 率 は 極 め て 高 く あ り、 実 用 性 面 で ど の 程 度 許 容 さ れ る か 懸 車種の場合も１～数回の電池交換が必要で の 場 合 は、 い ず れ の た く 必 要 な い が、 LiB な る が、 デ ィ ー ゼ ル 比 較 で は 燃 料 経 済 性 は であるが、 xEV Bus 寿命では適応性がかなり低いこ LiB 応用優勢な 現状は LiB ◇ ◇ ◇ 念される。 の 本 格 的 普 及 は、 将 来、 寿 命 と コ 膨 大 と な り、 費 用 対 効 果 が 大 幅 に 逆 転 し て い る。 現状の 20144117 2014 （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 Consideration for HEV Bus, JSAE,EVTeC, No. Energy Management with Battery Lifetime （２） Xiaohong Jiao, Tielong Shen, Masakazu ： Policy Iteration Algorithm-Based Sasaki 自動車技術会秋季大会， No. 20125632 ， 2012 ウムイオン電池の劣化のモデル化に関する研究（第１， （１）加地健太郎，田中謙司，今村大地ほか：リチ ◆参考文献◆ ス ト が 燃 費 効 果 額 と 拮 抗 す る の で、 充 電 イ 系、多頻度 考えられる。また、 は EDLC HV ともに車両使用過程中での交換はまっ EV それほどよくならないうえに電池コストが に よ っ て は 可 能 性 が 広 が り そ う で あ る。 ンフラコストを含めると普及へのハードル は、電池コ HV / HV 充電 および多頻度充電 Plug-in HV HV HV は 現 状 で は 高 そ う だ が、 仕 組 み の 工 夫 な ど 10 EV EV LiB応 用 の 場 合 を 図 ４ に 示 す。 応用による経済性比較 EV 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） , EV EV スト含めた革新的電池が出現するまで待つ 17 EV リチウムイオンキャパシタとその応用 青木エナジーコンサルティング 代表 青木 良康 リチウムイオンキャパシタの原理と特徴 炭素系 近 年、 地 球 環 境 保 護 の 観 点 か ら 環 境 負 リチウムイオンキャパシタ（ LIC ） と は、 狭義には負極にリチウムドープ可能な炭素 活性炭 Li含有酸化物 荷低減に対する取り組みが活発化してい る。特に自然エネルギー応用の蓄電デバイス、 系 材 料 を 用 い、 正 極 に は 通 常 の EDLC に用 いられている活性炭を用いたハイブリッド 新材料 新材料 さらにはトータルエネルギー消費効率向上 に向けたエコロジーへの応用での蓄電デバ キ ャ パ シ タ を い い、 広 義 に は 負 極 に は 有 化 合 物 を 使 用 し た も の、 正 極 に は マ イ ナ 含 イ ス と し て、 長 寿 命 高 出 力 密 度 キ ャ パ シ タ、 高エネルギー密度キャパシタが注目されて スイオンの吸脱着反応可能な材料構成が含 表１に電気化学キャパシタの電極構成に まれる。 いる。 このような環境の中で、電気二重層キャ パ シ タ（ EDLC ）とリチウムイオン二次電 池の特徴を併せ持つハイブリッドキャパシ 属 リ チ ウ ム が、 電 解 液 の 注 液 と 同 時 に 局 部 よ る 分 類 を 示 し た。 図 １ に LIC の原理概念 図 を 示 し た。 負 極 に 電 気 的 に 接 続 さ れ た 金 タ で あ る リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ（ LIC ） 、 そ の 信 頼 性、 長 寿 命、 安 全 ム イ オ ン と し て ド ー プ が 始 ま る。 ド ー プ が ⑴⑵ 電 池 を 形 成 し、 負 極 の 炭 素 系 材 料 に リ チ ウ こ こ で は、 リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ 技 完了すると負極の電位は概略リチウムの電 が提唱され 性の利点から開発が活発化している。 術 を 解 説 し、 特 に 信 頼 性、 安 全 性 に 優 れ た 位 と な る の で、 LIC は充電前の初期電圧と 弱の電圧を有する。 して３ 長 寿 命 LIC の特徴ならびに応用展開を紹介 する。 し た が っ て、 図 ２ に 示 す よ う に、 通 常 の と の 充 放 電 電 位 を 比 較 す る と、 正 極 EDLC Li含有 酸化物 Li … … 図１ LIC の概念図 活性炭 Li Li Li Li Li 炭素系 Li Li Liプレドープ タイプ リチウム イオン キャパシタ 活性炭 アシンメトリック （正負極非対称） Li Li デュアル カーボンセル Li Li Li Li 活性炭 電気二重層 キャパシタ PAS PAS PAS （ポリアセン） キャパシタ 新材料 新材料 RuO、金属錯体 シンメトリック （正負極対称） 活性炭 セ ル 出 力 V 表１ キャパシタの電極構成による分類 18 値は25℃との比較値 抵抗比 ［倍］ 容量維持率 ［％］ 正極 電圧［V vs Li/Li+］ 電圧［V vs Li/Li+］ をドープさせ負 極の電位を安定 化させているた め、 優 れ た 自 己 放電特性が代表 つ 2,000F 的な特長の である。 図５に 6 セル電圧［Ｖ］ 特性 （ ３） 自 己 放 電 が 得 ら れ、 こ れ が 結 果 的 に 信 頼 性 向 上 の 一 の電位をあまり高く設定しなくても高電圧 因にもなっている。 LICは 、 あ ら かじめ負極に リチウムイオンキャパシタの特性 の 最 大 充 電 電 圧 は、 と対称型 LIC 3.8V の 2.5 ～ 2.7V に比べ約 1.5 倍と高く、 EDLC ま た、 容 量 も 同 サ イ ズ の EDLC に比べ約２ 倍 と 高 容 量 と な っ て い る。 し た が っ て、 エ 2 ら約４倍と、 ネルギー密度も Q=1/2 ・ CVか これまでの EDLC に比べると驚異的に大き いものとなっている。 ℃の自 級 LICの 3.8V時間充電後の ℃と 己放電特性示 し た。 で は、 LIC ℃ で 100 日経 過後も 3.7V 以上 の電圧を維持し ている良好な自 2 60 0 80 60 20 40 温度［℃］ 0 －20 4 内部抵抗 2.4 （１）重負荷放電特性 の放電 LIC と同様に重負荷放電性能 EDLC は正極に EDLC と 同 様 の 活 性 炭 を、 LIC 負極に ドープされた炭素から構成されて い る た め、 に優れている。図３に 2,000F 級 レート特性の一例を示した。 （２）温度特性 図 ４ に は、 級セルの温度特性の一 2,000F 80 2.6 電気量 0 Li 己放電性能を表 すものである。 8 2.8 図４ 2 , 000 F 級 LIC の放電温度特性 図３ 2 , 000 F 級 LIC の重負荷放電特性 90 3.0 50 －40 400 600 800 1,000 放電電流容量［mAh］ 充電 ： CCCV 10A（11.3C）3.8V for 30min. 放電 ： CC variable current 2.2V cut off 試験条件 ： 25° C chamber 200 0 2.0 例 を 示 し た。 と 比 べ る と、 若 干 低 温 EDLC 特 性 に 劣 る 傾 向 が あ る の が 現 状 で の LIC の 課題とも言える。 19 3.4 3.0 12 静電容量 110 3.6 70 2.2 10 100 3.2 14 120 10A 50A 100A 3.8 0.5 0.5 1.5 1.5 セル Li 2.0 負極 Li Li 1.0 電気量 0 セル 1.0 + 負極 2.0 + 正極 PF6－ 2.5 PF6－ 3.0 + TEMA+ TEMA+ 2.5 BF4－ BF4－ 3.5 3.5 電気二重層キャパシタ リチウムイオンキャパシタ 1 放電 4.0 4.0 60 充電 4.5 放電 充電 4.5 25 24 25 Li 図２ LIC と EDLC の充放電電位挙動 4.0 120 120 100 80 容量維持率［％］ 電圧維持率［%］ 100 A2000 3.8V（25° C） A2000 3.8V（60° C） 60 充電：3.8V 10A CCCV CV 30min. 40 60 40 20 20 0 80 0 0 0 50 100 150 200 経過日数 ［日］ 250 100 200 300 サイクル回数×103 400 500 充電 ： CC CV 56C 3.8V 1min. 放電 ：CC 56C 2.2V 温度 ：25° C chamber 300 図５ 2 , 000 F 級 LIC の自己放電特性 図７ 2 , 000 F 級 LIC の充放電サイクル特性 表２ LIB と LIC の構成材料比較 深い充放電 サイクルに伴う 材料の 膨潤収 縮などによる 劣化大 負極の充放電カーブと利用容量 負 極 電 位 リチウムイオン二次 電池（LIB） 正極 LiCoO2 など 活性炭 負極 黒鉛など 炭素材料 LiPF6/PC、EC、 DEC など LiPF6/PC、EC、 DEC など PE など PE、セルロースなど アルミ、スチールなど アルミ 主要な 電解液 構成部材 セパレー タ 浅い充放電 サイクルに伴う 材料の 劣化小 LICの負極利用容量 外装缶 電気量 リチウムイオンキャ パシタ （LIC） 図６ LIC と LIB の負極利用容量の違い セル内圧が一気に高 まり、電解液が気化 発火に至る場合も！ リチウムイオン二次電池 さらなる熱発生 （熱暴走） 正極：金属酸化物 200° C前後で 正極の結晶崩壊 酸素放出 負極と電解 液の反応 電流漏洩に よるセル温 度上昇 内部短絡 リチウムイオンキャパシタ 正極：活性炭 セル内圧上昇 安全弁作動 図８ LIB と LIC の内部短絡後の反応モデル比較 リチウムイオンキャパ シタの寿命 「原理と特徴」の ところで述べたよう に、 LICは 正 極 に 活 性 炭などの分極性電極を 使 用 し、 イ オ ン の 吸 脱 着反応を用いているた めリチウムイオン二次 電 池 と 異 な り、 充 放 電 サイクル中における正 極の結晶変化がなく安 を炭素系 Li 定である。また負極では、 あらかじめ 材料にドープしてある た め、 正 負 極 容 量 比 の 自由度が高い設計が可 能 で あ り、 長 寿 命 型 に イオンの利用率 は充放電における負極 中の を低く抑える設計がさ れ て い る（ 図 ６）。 し た が っ て、 図 ７ に 示 す よ Li 20 う な 通 常 の EDLC と同等の 万回以上の優 れた充放電サイクル特性を有している。 ま た、 高 エ ネ ル ギ ー 型 の 設 計 も 正 負 極 容 量 比 に よ り 可 能 と な り、 用 途 に よ っ て の 設 つである。 極と電解液の反応によりセル内圧の上昇 内 部 温 度 の 上 昇 が 起 こ り、 そ れ に 伴 う 負 の応用分野 ンキャパシタ リチウムイオ よ う に 、 LIC 以上述べた が 起 き る。 そ の 後、 LIB では正極の結晶崩 壊 が 起 こ り、 正 極 酸 化 物 中 の 酸 素 が 放 出 さ れ、さらなる熱暴走が誘発され、場合によっ 化 に よ り、 発 火、 破 裂 が 起 こ る 場 合 が あ る。 計が可能な点も特徴の リチウムイオンキャパシタの安全性 こ れ に 対 し、 LIC では短絡後のセル内部温 度上昇による負極と電解液の反応によりセ ギー密度の特 て は セ ル 内 圧 の さ ら な る 上 昇、 電 解 液 の 気 は、 負 極 に イ オ ン を ド ー プ し た 炭 LIC 素 材 料 を 使 用 し て い る た め、 リ チ ウ ム イ オ ル 内 圧 の 上 昇 が 起 こ る が、 そ の 後 は LIB と の 正 極 材 料 の 違 い（ 酸 素 を 含 ま な い ） に よ 徴を併せ持っ L I Bの 高 電 圧、 高 エ ネ ル 最大電圧：4.885V 最高温度：29.0℃ ○ 150℃到達より ２分 25 秒後開口 ○ の安全性試験結果のまとめを LIC 以 下、 LIC の特徴を活かした主な用途を （１）再生可能エネルギー関連用途 る。 こ の よ う な 状 況 の 中 で、 独 立 分 散 型 電 環境問題、特に CO削減の観点からエネ 2 ル ギ ー の 有 効 利 用、 省 エ ネ が 推 進 さ れ て い したがって、図８に示すように LIC と LIB の内部短絡時の挙動の相違が考えられている。 源、 特 に 太 陽 電 池 と 組 み 合 わ せ た 蓄 電 デ バ 示した。このように、 LIC は EDLC と同等に 安全性の高い蓄電デバイスと言える。 表３には ら LIB や EDLC の蓄電デバイスの短所を補完 するような使われ方が期待できる。 加熱 は EDLCの 高 出 力 、 長 寿 命、 ン二次電池と同様な安全性に関する課題が り 熱 暴 走 反 応 は 起 こ ら ず、 安 全 弁 な ど の 開 て い る。 し た ○ 過充電 高い安全性と あ る の で は、 と の 議 論 も あ る の で、 こ こ で 放 で お と な し く 終 結 す る。 こ の よ う に、 最大電流：572A 最高温度：127.3℃ 走による発火、破裂などの大事故には至らず、 が っ て、 こ れ 外部短絡 述べる。 表３ 5 , 000 F 級 LIC の安全性試験結果まとめ 通 常 の 非 水 溶 媒 系 EDLC と同様の安全性が 理論的に保たれているものである。 は LIB と の 正 極 材 料 の 相 違 に よ っ て、 た と え 内 部 短 絡 な ど の 事 故 が 発 生 し て も、 熱 暴 LIC は LIC の安全性に関して原理的な視点から 考察する。 リチウムイオン二次電池（ LIB ）との主要 材料の比較を示した表２の通り、 LIC と LIB で は 正 極 材 料 が 異 な り、 LIB ではコバルト 酸リチウムなどのような金属酸化物が使用 さ れ て い る の に 対 し、 LIC では活性炭など の酸素を含まない炭素系材料が使用されて ○ 破裂・発火が ないこと 50 いるのが大きな相違点である。 判定 最高温度：51.5℃ 判定基準 1 内部短絡後両者とも短絡電流によりセル 21 結果概要 釘刺し 試験項目 Li 図 10 ソーラ照明灯の適用例 日の出時の散乱日射で十分 ⇒最速 朝8:36に満充電 （2008.6.15） 3MJ/m2・day相当の散乱日射エネルギーで十分充電 太陽の黄道にパネルを向けなくても蓄電が可能 長寿命などの特徴からキャパシタが検討さ デバイスには、その太陽電池との相性の良さ、 降 時 の エ ネ ル ギ ー を 回 生 し、 LIC に蓄電し 再 利 用 す る シ ス テ ム が 開 発・ 実 用 化 さ れ て 術 で あ り、 エ レ ベ ー タ や ク レ ー ン な ど の 下 （２） エネルギー回生用途 エネルギー回生も省エネ実現の重要な技 イ ス の 必 要 性 が 注 目 さ れ て い る。 こ の 蓄 電 れているが、 LIC は通常の EDLC と比較し て エ ネ ル ギ ー 密 度 の 高 さ、 優 れ た 自 己 放 電 お り、 工 場 ク レ ー ン へ の 適 用 で は 約 ％の 特 性 に よ り、 こ の よ う な 用 途 に 最 適 と さ れ、 照明と組み合わせた街路灯などの照明 LED 灯が実現している（図９、 ）。また、太陽 光発電からの系統への取り込みの際の周波 数 変 動、 電 圧 変 動 な ど の 課 題 を 解 消 す る た め、 LIC を組み入れた PCS が早稲田大学ら により開発され、自然発電エネルギーをいっ ） 。 省エネ効果があるとの実証もされている（図 30 には急速充電が可能な AGV （３） 移動体関連用途 移動体には産業用と自動車関連に分かれ る が、 工 場 用 を 電 源 と し、 非 接 触 充 電 シ ス テ ム と の LIC 組み合わせによりシステム効率が向上し、 トー タルコストを低減できるなどのメリットが 大きく、すでに LIC 搭載の AGV が国内およ び海外で実用化されている（図 ） 。 また、自動車用途には、 HEV 、 P-HEV 、 シ ス テ ム な ど の ブ レ ー キ 回 生、 ア イ ド リ 12 た ん LIC に 取 り 込 み、 変 動 域 を 低 減 し て 系 統に流すよう設計され、再生可能エネルギー の有効利用に検討されている ⑶。 11 パ シ タ： 線バスに へ の 期 待 が 伺 え、 中 国 で は 路 LIC 搭載のキャパシタバスやハイ LIC ル寿命を持ち、かつエネルギー密度の高いキャ 求 さ れ， 高 出 力 充 放 電 に 優 れ た 長 い サ イ ク 力 充 放 電 が バ ッ テ リ（ 蓄 電 デ バ イ ス ） に 要 ングストップなどの機能により頻繁な高出 EV 10 LIC 日照ゼロの曇天でも満充電になる ～年間40日（55日中） 鉛電池 晴天の日は３時間以内で満充電になる ～年間278日 図９ ソーラー照明灯での実験結果 22 ブリッドバスが検討・実用化されている（図 ） 。 LICの今後の展開 こ れ ま で 述 べ た よ う に、 リ チ ウ ム イ オ ン キ ャ パ シ タ は そ の 特 長 を 活 か し、 再 生 可 能 エネルギー、 エネルギー回生などのエネルギー 進んでいくものと確信している。 とした移動体への応用分野も更なる拡大が 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 ） T.Morimoto et.al. ： Meeting ◆参考文献◆ （ ， 2001-1, ， 2001 abstracts ECS p.270 （２）吉野彰ほか：第 回電池討論会予稿集， 日 図 12 AGV 用 LIC モジュールと適用例 ， 2002 p.458 （３）日経産業新聞，2011 年３月 28 43 図 11 工場内ホイストクレーンの電力回生適用例 有効活用、また移動体への応用による効率化、 出典： （株）産機 環境負荷低減に大きく寄 与することが期待されて 図13 ハイブリッド EV バスの LIC モジュール適用例 い る。 し か し、 現 状 で は 30%の省エネ実現 特殊電極基材を使用する 加速時パワーはLICから供給 定常走行は小型エンジンで発電しモータに供給 減速時は回生エネルギーをLICに蓄電 モジュール総重量：203kg モジュール総容積：218L モジュール総重量：128kg モジュール総容積：128L 通常のEDLC使用の場合 ×15シリーズ た め の コ ス ト 面 で の 課 題、 LIC使用による小型・軽量化 モータとエンジンのシリアルハイブリッドバスシステム に比べての内部抵 EDLC 抗、低温特性の課題がある。 今 後 は、 電 極 基 材 の 製 法開発によるコスト低減 バス用モジュール ACE Pack （A3000×12S） が 進 む も の と 期 待 さ れ、 ま た、 特 性 面 で も 電 極 製 造 方 式、 電 解 液 開 発 な ど に よ る 内 部 抵 抗 低 減、 低 23 温特性改善の開発が活発 化 さ れ て、 自 動 車 を 中 心 巻き下げ動作 14秒 （移動距離 1,200mm） of LIC 横行時に使用 M INV 電源 走行時に使用 走行 横行 LIC回生電力蓄電の効果 1 システム 30％の消費電力低減が可能 降下（回生エネルギー発生） 0.15kWhの蓄電 （満充電） 13 24V LICモジュール などの輸送機器や建設機械などへの採用が 用 蓄 電 デ バ イ ス と し て 自 動 車、 バ ス、 電 車 回 生 用、 あ る い は 急 速 充 電 可 能 な 自 立 電 源 省エネルギーを目的とした制動エネルギー 昨 今、 地 球 環 境 問 題 が 喫 緊 の 課 題 と な る 中、 か ら、 様 々 な 機 器 に 使 用 さ れ て き た。 特 に 入 出 力 性 能 や 寿 命・ 耐 久 性 能 を 有 す る こ と キ ャ パ シ タ は、 二 次 電 池 に は な い 優 れ た 蓄電機構を持つ電極により蓄電能力向上を を 本 質 的 に 備 え て い る。 し た が っ て、 こ の 寿 命・ 耐 久 性 能 と い っ た キ ャ パ シ タ の 強 み ク な 蓄 電 機 構 に よ り、 優 れ た 入 出 力 性 能 や は、 こ の ユ ニ ー こ の タ イ プ で あ る。 EDLC り、 現 在、 市 場 に あ る キ ャ パ シ タ の 多 く は 持 つ 電 気 二 重 層 キ ャ パ シ タ（ 気二重層を利用して電荷を蓄える機構を 活性炭と電解液との界面に形成される電 次世代キャパシタへの期待 ナノハイブリッドキャパシタ（ NHC ） 積極的に進められている。しかし、 現状のキャ 目指すのが本来あるべき姿であろう。しかし、 日本ケミコン㈱理事、技術本部 基礎研究センター長 玉光 賢次 パ シ タ の 蓄 電 能 力 は、 近 未 来 の こ れ ら 市 場 の 飛 躍 的 な 蓄 電 能 力 向 上 は、 か な り EDLC キャパシタの持つ優れた入出力性能や寿命・ 力 向 上 の た め、 電 極 で あ る 活 性 炭 の 比 表 面 難 し い 状 況 に あ る。 従 来、 ）であ EDLC 要 求 に ま っ た く 応 え ら れ な い。 市 場 か ら は 耐 久 性 能 は 維 持 し つ つ、 数 倍 と い う レ ベ ル 積の拡大を様々な賦活法により試みられて の重量容量密度は活性 EDLC 炭 の 比 表 面 積 に 比 例 し て 増 加 す る が、 残 念 る。 し か し、 程度まで達してい きた。現在、 3,000m2/g の蓄電能 EDLC で蓄電能力向上を期待されている。 次世代キャパシタ 従 来 型 キ ャ パ シ タ は、 分 極 性 電 極 で あ る な が ら 体 積 容 量 密 度 は、 比 表 面 積 ～ 2,000 あたりでピークに達し、それ以 2,500m2/g 上 の 比 表 面 積 の 拡 大 は、 逆 に 体 積 容 量 密 度 を低下させることが報告されている ⑴。これ は 過 度 の 賦 活 に よ る 細 孔 体 積 の 増 大 が、 活 性炭のかさ密度を低下させるためである。 こ の よ う に、 ラ ン ダ ム な 細 孔 を 持 つ 活 性 炭の単位体積当たりの比表面積向上は限界 に 近 い た め、 最 近、 ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ ）やグラフェンなど積極的に構造制御 （ CNT では、充放 CNT できる規則性のある材料を使用する研究開 発 が 盛 ん に 行 わ れ て い る。 電レスポンスが極めて優れたキャパシタ電 ⑶ が報告 極 ⑵や高耐電圧化が可能な単層 CNT ⑷～⑹ されて さ れ て い る し、 グ ラ フ ェ ン で は、 従 来 の 活 性炭電極の２～３倍の容量も報告 お り、 デ バ イ ス レ ベ ル で 使 い こ な す こ と が として市場要求に で き れ ば、 次 世 代 EDLC 年 2015 月 に 日 本 ゼ オ ン（ 株 ） が ミートしたものになるであろう。単層 CNT で は、 11 24 ＋活性炭 ＋活性炭 LIC LIC 2.0 2.0 ーー LTO LTO NHC NHC LTO LTO 電極 電極 電位 / V vs. Li/Li++ 電位 / V vs. Li/Li 電極とし EDLC 世 界 初 の 量 産 工 場 を 立 ち 上 げ、 ま も な く 量 産を開始すると発表した ⑺。 に使用するに EDLC て は、 理 想 に 近 い 構 造 で あ り 期 待 で き る が、 自動車用などの大型の はコスト低減が課題である。また、グラフェ ン に つ い て は、 デ バ イ ス レ ベ ル で 性 能 を 報 告 し た 例 が 見 当 た ら な い の で、 ま だ 研 究 段 ＋活性炭 ＋活性炭 ーグラファイト ーグラファイト 1.5 1.5 1.0 1.0 1.5V 1.5V 安全性が向上 安全性が向上 0.5 0.5 グラファイト電極 グラファイト電極 00 金属リチウム析出危険領域 金属リチウム析出危険領域 階と思われる。 一方、リチウムイオン電池（ nc ncLTO/CNF LTO/CNF コンポジット材料 コンポジット材料 ナノハイブリッドプロセス ナノハイブリッドプロセス Approach Approach I. I. ナノサイズ化 ナノサイズ化 LTO particle LTO particle Liイオン泳動距離 Liイオン泳動距離 10μm 10μm 100 100nm nm ncncLTO LTO ncncLTO LTO カーボン カーボン ナノファイバー ナノファイバー （CNF） （CNF） 10nm 10nm Approach Approach II.II. 電子パスの構築 電子パスの構築 ee ）電極と LIB 電極を組み合わせたハイブリッドキャ EDLC パ シ タ は、 キ ャ パ シ タ の 強 み の 一 部 は 失 わ れ る が、 近 未 来 の キ ャ パ シ タ と し て は 現 実 図１ ハイブリッドキャパシタの電極構成と負極の作動電位 図１ ハイブリッドキャパシタの電極構成と負極の作動電位 + + LiLi + + LiLi ee 15 15 ～～ 30nm 30nm 図２ 図２ ポジット材料 ポジット材料 100 100 nc ncLTO/CNF LTO/CNF 80 80 容量維持率［％］ 容量維持率［％］ 用グラファイト電極を用いたハ LIB 的 で あ る。 こ の タ イ プ の キ ャ パ シ タ の 中 で、 負極に イブリッドキャパシタであるリチウムイオ ） が す で に 製 品 化 ⑻さ れ LIC は入出力性能や寿命性能を損 LIC ン キ ャ パ シ タ（ て い る。 25 イオンパス イオンパス 60 60 40 40 20 20 電子パス 電子パス 図３ 図３ 市販のLTO 市販のLTO 00 50100 100150 150200 200250 250300 300350 350400 400 0 0 50 Cレート Cレート と し て 有 望 で あ る。 し か し、 負 極 に 使 わ れ 力 向 上 を 実 現 し て お り、 次 世 代 キ ャ パ シ タ な う こ と な く、 EDLC の３～４倍の蓄電能 オーバーシュートによるリチウムメタルの 急速充電時や低温での充電時の負極電位の 程度高い。そのため、 ラファイト電極より 1.5V 電極の作動電位は、 LIC で使用するグ LTO 結晶間の高速電子パスを構築するためである。 めであり、 ウムイオンのアクセシビリティを上げるた ムイオンの結晶内泳動距離を短縮してリチ イ ズ を ナ ノ オ ー ダ ー に す る こ と は、 リ チ ウ を添着したのは nc-LTO るグラファイトの作動電位が低いので、 LIB 析 出 懸 念 や 両 端 子 短 絡 に よ る 不 具 合 が な く、 スポンスを大きく改善できる。 に CNF の欠点を一部引き継いだバッテリライクな 実 際、 図 ３ に 示 す よ う に、 高 レ ー ト 時 の レ 結晶の歪がほ LTO 安 全 な セ ル を 構 築 す る こ と が で き る。 ま た、 充放電によって電極材の の EDLC ハ イ ブ リ ッ ド キ ャ パ シ タ で あ り、 ようにラフに取り扱えないところに問題が 電極のハイブ LIB リッドであるが充放電曲線は放電に伴い電 は、 EDLC 電極と NHC に よ る 劣 化 が 極 め て 小 さ い。 こ の ２ 点 か ら 圧が変化するキャパシタライクなものとなる。 と ん ど 生 じ な い こ と か ら、 充 放 電 サ イ ク ル も同じタイプのハイブリッドキャパシタで 比較的ラフに取り扱っても不具合を生じに の特性を表１にま 代 表 的 な サ イ ズ の NHC ） NHC あ る が、 負 極 の 電 極 材 料 を 変 更 す る こ と で、 くく、長寿命・高耐久が期待できる。しかし、 ある。ナノハイブリッドキャパシタ（ よりキャパシタライクなハイブリッドキャ の ２ 倍 か ら ３ 倍 に で き る。 よ り 従 来 の EDLC と め た。 容 量 は 上 述 の よ う に、 電 極 設 計 に 内 で の リ チ ウ ム イ オ ン 泳 動 も 遅 い の で、 急 に は 及 ば な い が、 そ 直 流 内 部 抵 抗 は EDLC は 電 気 伝 導 性 が 低 い こ と に 加 え、 結 晶 LTO 速 充 放 電 時 の レ ス ポ ン ス に 問 題 が あ る。 こ と同 レ ー ト 特 性 は セ ル 体 積 当 た り で EDLC れに近い性能である。また、図４に示す通り、 nc- 等の性能である。また、電池電極とハイブリッ 結晶（ LTO ）が電子伝導性のよいカーボン基材（図 LTO ド 化 す る と、 ど う し て も 電 池 電 極 の 欠 点 を 引き継いだデバイスとなりがちだが、 NHC ）表面に添着された CNF コンポジット材料が超遠心ナノハイブ CNF ⑼、⑽ は そ の 傾 向 を 最 小 限 に 抑 え て い る。 例 え ば、 リッド技術によって創製された 。結晶サ の場合 ／ nc-LTO ナノオーダーに微細化された の 問 題 を 解 決 す る た め、 図 ２ に 示 す よ う な、 パ シ タ と な っ て い る。 ま だ 開 発 中 で あ る が、 の進化系として使いやすいハイブリッ LIC ドキャパシタとして期待されている。 ナノハイブリッドキャパシタ（NHC） の 電 極 構 成 を 図 １ に 示 す。 正 極 に NHC ） 活性炭電極、負極にチタン酸リチウム（ LTO の ２ ～ ３ 倍 程 度 向 上 す る。 EDLC 電 極 と い う 構 成 で あ る。 こ の 電 極 構 成 に よ り、 容 量 は 26 C. C. mo d e 容量維持率［%］ 2,300 直流内部抵抗 ［mΩ］ 0.8 <1.2 <0.8 エネルギー密度 ［Wh/L］ 4.2 13 10.0 10.4 8.7 13.0 e セル電圧［V］ e od .m 3,000 od m C. C. de o .m C.C C.C 1,200 2,000 1,500 ／ nc-LTO 材料のコストが CNF う 一 段 の 性 能 向 上 は 必 要 で あ る。 ま た 現 状 ま っ た く 同 等 に す る こ と は で き な い が、 も セル電圧［V］ 容量 ［F］ 注１）０Vまで放電も場合によっては可能 ２）マッチドインピーダンス法による最大出力密度 （V2/4R（R：DCIR）） し か し、 ま だ サ イ ク ル 寿 命 性 能、 高 温 耐 久 NHC 容量維持率［%］ 1.4注1）～ 2.8 同 種 の LIC で は、 短 絡 す る 1.4注1）～ 2.8 とセル内部でガス発生が起 0 ～ 2.5 こ り、 不 具 合 に 至 る 可 能 性 作動電圧範囲 ［V］ が あ る が、 NHCは 短 絡 し て放置してもガス発生など による不具合は発生しない し、 そ の 後、 電 圧 処 理 す れ ば再度使用することができ Φ40×150L に は 及 ば な い。 こ れ は EDLC では、負極 図４ NHC のレート特性 電流密度 ［A/L］ 電流密度 ［A/L］ 1,000 500 0 0 EDLC 40 40 る。 電 池 に は な い キ ャ パ シ Φ40×150L 性能について C.V. mode （30min） タ の 大 き な 強 み は、 誤 っ て Φ40×150L 時間 時間 過 充 電、 過 放 電、 端 子 短 絡 などを行っても致命的な不 は、 ま さ NHC ケースサイズ 蓄 電 機 構 か ら く る 本 質 的 な 問 題 で あ る の で、 20 20 80 NHC 80 2,000 1,500 1,000 500 0 0 100 100 60 EDLC 60 具 合 が 起 き な い の で、 比 較 こ と で あ る。 と比較し LIC パワータイプ 最大パワー密度注2） ［kW/L］ （ｂ）CC mode 120 （ａ）CC CV mode 120 的ラフに扱っても問題ない にその意味で てよりキャパシタライクな ハイブリッドキャパシタと言える。 以 上 述 べ て き た よ う に、 エネルギー タイプ は EDLC の NHC 従来EDLC 次を担うキャパシタとして有力な候補である。 27 表１ ナノハイブリッドキャパシタの性能 の課題と言える。 NHC の活性炭に比べて高いことも否定で EDLC きない。この２点が 次世代キャパシタのステップとして に お い て、 負 極 材 に 電 池 電 極 を 使 用 NHC しながらキャパシタライクな急速充放電が 電極の LTO 可能になるのは、負極材の LTO 粒子サイズをナノオーダーとして蓄電に寄 与する電荷移動をできるだけ粒子界面で行 う か ら で あ る。 そ の メ カ ニ ズ ム か ら 言 え ば、 Vol. 75,No4, 379 2007 ： T.Morimoto Tanso, 189 188 1999 ： Electrochemistry, Y.Honda,M.Ishikawa ◆参考文献◆ ⑴ ⑵ , ： M.Stoller, S.Park, Y.Zhu,J.An,R.Ruoff Electrochemistry, Vol. 75. No4, 374 Lett., Vol.8,p. 3498,2008 .html エナジー社ホームページ Nano 2007 http://w w w. ⑹ H.Zhang, K.Wang, Zhang,H.Lin,X.Sun,C. ： Chem.A,3,11277,2015 Lia,Y. Ma,J.Mater （ ７） http://www.zeon.co.jp/press/ 151111 2014 ⑸ Y.Xu,Z.Lin,X.Zhong, X.Huang,N.Weiss,Y. ： Nature commun.5, 4554, Huang, X.Duan ⑷ ⑶ S .Su e m at s u, K . M a c hid a , K .Ta m a mit s u, ： H.Hatori , ： K.Naoi,S.Ishimoto,J.Miyamoto,W.Naoi Sources,195,6250,2010 Energy Environ. Sci.,5, 9363, 2012 ⑾直井勝彦：次世代電池 「超遠心ナノハイブリッ 2014 ド技術による電極材料の革新」， pp. 148 ， 159 ⑽ など jmenergy.co.jp/ ⑼ K.Naoi,S.Ishimoto,Y.Isobe,S.Aoyagi ： J.Power ⑻ X. 正極材も同様の考え方でレスポンスのよい 材 料 構 造 を 生 み 出 せ れ ば、 入 出 力 性 能 を あ る程度維持しながらさらなる大容量化が可 能 に な る は ず で あ る。 も ち ろ ん、 そ の た め にはナノサイズ化による様々な問題点の解 決 も 同 時 に 行 う 必 要 は あ る。 現 在、 そ の よ うな戦略でナノハイブリッド技術を応用し は、 た正極材の研究も行われている ⑾。 NHC , , - その究極の蓄電デバイスのステップとして 捉えることもできる。 JM 日経 ， 2014 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 BP 28 電気二重層キャパシタの劣化診断と寿命予測 について触れる。 （１）静電容量 が持っている蓄電性 EDLC キャパシタフォーラム 理事、企画委員 木下 繁則 明星大学 理工学部 総合理工学科 電気電子工学系教授 石田 隆張 本稿ではまず、電気二重層キャパシタ（以 ） の 劣 化、 寿 命 の 定 義 に つ い て 下： EDLC 静 電 容 量 は、 能 を 表 す 特 性 で 単 位 は［ Ｆ ］ で あ る。 静 電 説 明 し、 劣 化 の メ カ ニ ズ ム、 ま た、 そ の 劣 化特性に与える要因を明らかにする。その後、 （２）内部抵抗 内 部 抵 抗 は、 の内部の電気抵抗を EDLC 静電容量は経時に伴って減少する。 容量は電圧および温度によって影響を受ける。 ⑴～⑷ 。 の劣化状態と残存余命 劣化特性から EDLC の推定の方法について紹介する 劣化のメカニズム た 特 性 で、 単 位 は［ Ω ］ で あ る。 内 部 抵 抗 等価的に直列に接続されたものとして表し 劣 化 と は、 「物理的変化などにより品質や は 温 度 に よ っ て 大 き く 影 響 を 受 け る。 内 部 １．劣化の定義 性 能 な ど が 損 わ れ た り、 技 術 革 新 で よ り 優 抵抗は経時に伴って上昇する。 す ⑵。 静電容量の劣化特性の実測例を図１に示 （１）静電容量の劣化特性 ２．劣化の実測例 れ た 製 品 が 出 現 す る こ と に よ り、 性 能 が 相 対的に低下する現象」である。 の 主 要 性 能 は、 静 電 容 量 と 内 部 抵 EDLC の劣化とは、 「静電容 抗であるので、 EDLC 量の減少と内部抵抗の増加」という定義と す る。 こ こ で、 静 電 容 量 と 内 部 抵 抗 の 定 義 （２）内部抵抗の劣化特性 内部抵抗の劣化特性の実測例を図２に示 す ⑵。 ３．EDLC の劣化原因 セルの基本構成材料は、 EDLC ① 集電極：アルミ材（有機電解液の場合） ② 分極性電極：活性炭または炭素と電解液 ③ セパレータ：紙（有機電解液の場合） であり、これらの構成材料を容器に入れて、 外気と遮断するため容器をシールしている。 （１）主な劣化の原因 上 記 の 構 成 材 料 の う ち、 ア ル ミ 材、 活 性 炭 お よ び 炭 素 そ の も の、 セ パ レ ー タ は 本 質 的 に は 劣 化 し な い。 ま た、 不 純 物 が 含 ま れ ない純粋な電解液も劣化は生じない。 ⑸、 ⑹ 。 電 解 液 を 劣 化 さ せ る 大 き な 要 因 は、 電 解 液の水分量の増加であると考えられる の電解液における水分量の増加とな EDLC る原因として、以下の３点が考えられる。 29 ① 製造時における水分の侵入 告がある ⑸。この結果、電解液中の不純物が （２）劣化原因の詳細 前 述 し た 主 な 劣 化 原 因 の 中 で、 温 度 と 充 電電圧の影響について、以下で深堀する。 原 因 と な り、 電 解 液 の 分 解 が 発 生 す る こ と が考えられる。 ① 温度の影響 電 解 液 精 製 時 に わ ず か で は あ る が、 不 純 物 が 電 解 液 に 混 入 す る。 さ ら に、 セ ル 状 態 ③ 継続的な充電電圧による劣化 電解液の劣化は間接的に温度の影響を受 との間には 「 ア レ ニ ウ ス の 法 則 」 と は、 化 学 反 応 の （１） ･･････ は気体定数（ は頻 ）、 =8.31J/mol-K は 反 応 に 固 有 の 定 数 で、 は活性化エネルギーと呼ばれ Svante ので、アレニウス式と呼ばれる（１）。 によって提出されたも August Arrhenius 度 因 子、 および こ こ で、 近似的に次の関係式が成り立つ。 と絶対温度 他 に も、 間とともに 特性が劣化 T 劣化の原因 することも K る。 こ の 関 係 は、 ス ウ ェ ー デ ン の られる。 A R Ea Ea として考え A る劣化で時 速度は一般に温度によってかなり大きく変 継続的な電圧印加により電解液の分解が 70 初 60 期 内 50 部 40 抵 抗 30 変 化 20 率 10 ［％］ 0 電解液内の 分がセル内部に浸入する。 静 電 15 容 20 量 変 25 化 30 率 ［％］35 40 化し、速度定数 け る。 電 解 液 の 温 度 の 影 響 は、 他 の 化 学 電 5 不純物によ 発 生 し、 イ ン キ ュ ベ ー タ ー 内 の 空 気 中 に 含 10 ② 過電圧印加時の温度上昇 70℃ 60℃ 50℃ 40℃ 池と同じようなアレニウスの法則が適用さ では防爆弁部およびシール部から外気の水 80 まれる微量の水分を電解液が吸収すること 図１ EDLC の静電容量の経時特性例 過 電 圧 を 印 加 す る と 内 部 抵 抗 が 増 加 し、 45 れる。 70℃ が考えられている ⑹。 60℃ 表 面 の 温 度 が 上 昇 す る、 と の 研 究 報 EDLC 時間［ｈ］ 50 2,500 2,000 1,000 1,500 時間［ｈ］ 500 0 20 40℃ 50℃ 10 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 0 図２ EDLC の静電容量の経時特性例 30 図４ ED 使用温度 ［℃］ 出典：岡村廸夫：電気二重層キャパシタと蓄電システム第3版 図4-20、ｐ.115、日刊工業新聞社 60℃ 70℃ に 加 え て、 運 用 上 発 生 す る 劣 化 要 因 が あ る。 そ れ ら は 主 に 経時とともに劣化する静電容 量に関するカレンダー劣化と、 充放電使用回数によって劣化 特性 するとされるサイクル劣化で ある。 （１）静電容量劣化 図１では特性劣化が時間に 対して非直線であるのに対し、 時間の平方根に対する特性劣 化量は図４に示すように直線 の静電容量劣化の になる。これが EDLC 特性である（１）。このように劣化特性が直 電圧と寿命の関係の一例として、 上昇 0.1V 線 で 表 さ れ る と、 後 述 す る 残 存 余 命 推 定 が 容易になる。 図１の実測特性を ようになる。 特 性 は、 す べ て の 特性で表すと図５の すると寿命の短縮率は２倍になると参考文 献 ⑴は示している。 ③ 温度と電圧の影響 温度と電圧の影響の一例を図３に示す。 静電容量劣化の 40℃ 明 確 に な っ て い な い。 こ の た め、 実 際 の 適 製造者に確認する 用 に あ た っ て は、 EDLC ことが望ましい。 （２）内部抵抗の劣化特性の直線化 内 部 抵 抗 の 劣 化 特 性 も、 図 ２ に 示 し た よ う に 時 間 に 対 し て は 非 直 線 で あ る。 こ の 劣 化特性も静電容量と同じく図６のように直 線 化 で き れ ば、 抵 抗 を 用 い た 残 存 余 命 の 推 経時特性（実測例） 300 250 200 図５ ED 図３ EDLC の寿命と温度、電圧の関係の一例 電 解 液 の 劣 化 は 充 電 電 圧 の 影 響 を 受 け る。 ② 電圧の影響 2.8 10年 出典：岡村廸夫：電気二重層キャパシタと蓄電システム第3版 図4-20、ｐ.115、日刊工業新聞社 0 ４．EDLC の劣化特性 に 適 用 さ れ る か は 現 時 点 で は、 ま だ EDLC 経時特性 図４ EDLC の静電容量の ５年 １年 ２年 √［ｈ］ 使用電圧 ［Ｖ］ 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 0.1 2.3 使用電圧 ［Ｖ］ の劣化の物理的要因 EDLC 31 50℃ 2.5Vで寿命10 年間を基準と したEDLCの寿 命計算例 10 以上に示した 寿 命 1 図５ EDLC の静電容量の 図３ EDLC の寿命と温度、電圧の関係の一例 0 150 使用温度 ［℃］ 100 3.0 2.7 2.9 2.6 2.5 30 2.4 100 50 0 0 －10 －20 静 電 －30 容 －40 量 変 －50 化 －60 率 ［％］－70 －80 －90 －100 30 40 50 60 70 2.5Vで寿命10 年間を基準と したEDLCの寿 命計算例 40 0.1 2.3 規定寿命 √［ｈ］ 10 80 ［Ｆ］ 90 静 電 容 量 静 電 容 量 は 経 過 時 間［ｈ］の√ に 比例して直線的に減少する ［％］ 0 －10 －20 静 電 －30 容 －40 量 変 －50 化 －60 率 ［％］－70 －80 －90 －100 寿 命 1 50 60 70 80 ［Ｆ］ 90 静 電 容 量 定 が 容 易 に な る も の の、 現 時 点 で は ま だ 直 で あ れ ば、 理 論 的 に は わ な い 物 理 的 蓄 電 で あ る の で、 温 度 が 同 じ 規定寿命 √［ｈ］ 図６ EDLC 内部抵抗の経時特性 電圧印加時間 特性変化量 静電容量：－ 以内 時間 :2, 000 ％以内 内部抵抗：＋ 200 の 寿 命 と し て、 劣 化 と 同 じ よ う な EDLC る 特 性 劣 化 は な い と 言 え る も の の、 現 時 点 前 述 の 通 り、 理 論 的 に は サ イ ク ル 数 に よ （２）サイクル寿命（サイクル数） 考え方でカレンダー寿命とサイクル寿命と では明確になっていない。 （１）カレンダー寿命 の寿命はこのカレン EDLC ダ ー 寿 命 で 表 し て い る。 蓄 電 デ バ イ ス と し て、 現 在 ど の 程 度 の 利 一 般 的 に は、 増大に伴っ 位 は 時 間 ） は、 現 状 で は「 規 定 温 度、 定 格 用 可 能 エ ネ ル ギ ー が 蓄 電 さ れ て い る か、 ま １．基本知識 て、 あ た か 電 圧 の フ ロ ー テ ィ ン グ で、 主 要 性 能 で あ る た 劣 化 状 態（ の 寿 命（ 単 EDLC も サ イ ク 静電容量または内部抵抗特性の劣化量が規 どのくらい進んでいるのかという寿命を知 それらの考え方の差異を明確化する。 を 比 較 し て、 あ る。 ま ず、 化 学 電 池 と EDLC ム を 運 用 す る う え で、 非 常 に 重 要 な 技 術 で ） が、 State Of Health ル劣化した 定 量 に 達 す る 時 間 」 で、 製 品 規 格 値 と し て ることは蓄電デバイスを組み込んだシステ 温度：最高カテゴリー温度 ： SOH か の よ う 表示されている。 の寿命に対応する規格値 現 状 で の EDLC 電原理が化 電圧：定格電圧 の一例を次に示す ⑺。 学変化を伴 EDLCの 蓄 る 。 し か し、 に 劣 化 す 状態監視、劣化診断 がある。 ５．EDLC の寿命 30 にはサイクル EDLC 線化表示は明確になっていない。 Δ ＝ ・√ 0 は明確になっていない。 数 の 制 限 は な い と 言 え る も の の、 現 時 点 で 内 部 抵 200 抗 変 化 量 100 Δ % （３）サイクル劣化特性 サ イ ク ル 特 性 は、 規 定 条 件 の 充 放 電 動 作 の主要性能である静電 を さ せ た 時、 EDLC 容量または内部抵抗の劣化量が規定値に達 するまでのサイクル数で表される特性である。 サイクル数の増大に伴って経時時間も増 大して経時に伴う劣化およびセル温度上昇 内部抵抗は経過時間 ［ｈ］ の√ に 比例して直線的に増加する に 伴 う 劣 化 が 現 れ、 見 掛 け 上 サ イ ク ル 数 の ［％］ 300 32 電流波形 電流波形 Δ Δ 電池の状態 検知 一般的に 化学電池の 残存容量 は、 OCV データ集計期間 データ集計期間 4 4 3 3 計測終了 計測終了 計測開始指令 計測期間 計測開始指令 計測期間 2 2 1 1 図 10 EDLC の内部抵抗のオンライン計測 図 10 EDLC の内部抵抗のオンライン計測 かつ精度よく検知するこ る。しかし、 OCV を直接 静 電 容 量 が 既 知 で あ る の で、 子電圧から知ることができる。 ２ 乗 に 比 例 す る の で、 蓄 電 エ ネ ル ギ ー は 端 電 流、 電 流 パ タ ー ン、 温 の他に、充放電 め、 OCV が で き る。 言 い 換 え れ ば、 残 っ て い る 蓄 電 る エ ネ ル ギ ー を 簡 単 に、 か つ 直 接 知 る こ と 子 電 圧 を 測 る こ と に よ っ て、 蓄 え ら れ て い の端 EDLC と は 困 難 で あ る。 こ の た 度、 電 圧 降 下 お よ び 経 時 の 静 電 容 量 の 経 時 変 化 も、 ま た、 EDLC エネルギーを簡単に知ることができる。 状態との関係を予めテー 後述する方法で簡単に知ることができるので、 などのパラメータと劣化 ブル化しておき、このテー 残存蓄電エネルギー状態を精度高く推定で ］と電圧 ［ ］ は、 ］と の変化量を確認する。 計 測 す る。 前 回 の 計 測 値 お よ び 初 期 値 か ら および時間の決められた条件で静電容量を 計 測 時 に シ ス テ ム を 停 止 し て、 電 流、 電 圧 法 で あ る。 定 期 点 検 作 業 と し て 決 め ら れ た の検知方法として望ましい方 の で、 EDLC この方法は計測条件を常に同じにできる （１）計測の基本（オフライン計測） ２．静電容量の測定 きるのが大きな特徴である。 ブルから残存容量を推定 ）も同様に直接推定 SOH 存寿命を推定している。 （２）EDLC の状態検知 ［ EDLC の 充 電 エ ネ ル ギ ー 単純に静電容量 上 式 か ら、 蓄 電 エ ネ ル ギ ー は 端 子 電 圧 の ････････（２） から次式で表される。 ［ す る こ と は 困 難 で、 上 記 と 同 様 な 方 法 で 残 電池の劣化状態（ する方法などが採用されている（８）。また、 Δ Δ （ １）化 学 電圧波形 電圧波形 （開放端子 J V E V 図８ EDLC の静電容量のオンライン 図８ EDLC の静電容量のオンライン 計測 計測 電圧）か F 図９ EDLC の内部抵抗のオフライン 図９ EDLC の内部抵抗のオフライン 計測 計測 計測終了 計測終了 計測開始 計測開始 図７ EDLC の静電容量のオフライン 図７ EDLC の静電容量のオフライン 計測 計測 ら推定す 33 C 電流波形 電流波形 2 2 1 1 電流波形 電流波形 0 0 電圧波形 電圧波形 2 2 1 1 0 0 Δ Δ Δ Δ 電圧波形 電圧波形 Δ Δ 電圧波形 電圧波形 電流波形 電流波形 ） ［Ｆ］ 1 0 √［ｈ］ 図 11 残存余命を推定する特性図 す 目視検査 （ 2） L2 新規定寿命 １年 定期検査 C、R測定、 電圧分担 定期検査 定期検査 C、R測定、 電圧分担 う 図 14 EDLC のメンテナス周期 よ 定期検査 C、R測定、 電圧分担 静電容量（エネルギー換算法） 示 運転開始 電圧分担、 電圧分担、C、R測定、 外観検査 外観検査 電圧分担 r は内部抵抗 に １年 ここで、 ９ ６か月 ･･････（５） L2 新規定寿命 ３．内部抵抗の計測 （ 2） L1 規定寿命 （１）オフライン計測 （ 1） √［ｈ］ ３か月 C システムを稼動させた状態で図８に示した 実時間＝ 2＋Δ ３か月 定期検査 C、R測定、 電圧分担 L2 （Δ ） 図 L2 Δ よ う に 電 流、 電 圧 お よ び 時 間 か ら 静 電 容 量 Δ 2 L1 （ 1） L1 を 計 測 す る 方 法 で あ る。 こ の 場 合、 計 測 時 L2 図 13 残存余命を延伸する特性図 量 C 期（または周囲温度）、電流、電圧の計測条 Δ ［Ｆ］ 0 定期検査 は式（４）または式（５）によっ L1 Δ － 目視検査 図 14 EDLC のメンテナス周期 ･･･････（４） Δ 2 L2 ６か月 Δ （Δ ） 規定寿命 ３か月 静電容量 運転開始 100 Δ＝ √［ｈ］ 電圧分担、 電圧分担、C、R測定、 外観検査 外観検査 電圧分担 L2 図 12 残存余命を延伸する考え方 90 静 電 容 80 量 C 件はできるだけ同じにするのが望ましい。 ３か月 経時（時間） ［％］ 100 2 L1 て求める。 規定劣化量 緩和：Δ L2 L1 規定劣化量 緩和により 使用可能時 Δ 間の増大： L1 使用可能時間 （劣化規定量緩和）： － 実時間＝ 2＋Δ 静電容量（電荷法） 使用可能時間 （規定劣化量）： 0 2 L2 L1 図 13 残存余命を延伸する特性図 規定劣化量： Δ 性 能 （ 相 対 値 ） Δ＝ は式（３）によって （Δ ） Δ ･･･････（３） Δ ［Ｆ］ Δ は、 充 電 時 ま た は 放 電 時 で 2 90 静 電 容 80 量 静電容量 2 の 規 定 時 間 内 の 電 圧 の 変 化 量、 電 流 積 分 値 1 を 計 測 す る こ と に よ っ て 知 る こ と が で き る。 Δ － 図 ７ は、 充 電 動 作 時 の 計 測 例 に つ い て 示 し Δ 2 た も の で、 静 電 容 量 Δ＝ （ 1 100 求める。 残存余命実時間： Δ 1 ［％］ 100 静電容量 Δ 1 （２）オンライン計測 90 静 電 容 量 80 許容静電容量減量： こ の 方 法 は シ ス テ ム を 停 止 で き な い 場 合、 ［％］ 100 に 、 34 であ 推 定 さ れ る の で、 残 り 時 間 は ー 了する るので、残存余命時間 が推定される。 は充電電流または放電電流を急峻に EDLC ③ 計測区間のデータを集計し計算する は、 次 の よ う に し 変 化 さ せ る と、 端 子 電 圧 に は 内 部 抵 抗 に 比 の残存余命時間 は、 まで延ばす に対 に となる ････････（８） から を 用 い て 説 明 す る。 寿 命 時 間 長 く な り、 寿 命 時 間 は 定 し て い る の で、 規 定 変 化 量 を 緩 和 す る こ の変化量が規定値に達した時間を寿命と規 の 寿 命 は、 静 電 容 量 ま た は 内 部 抵 抗 EDLC 超 え て も、 あ る 期 間 は ほ ぼ 線 形 に 変 化 す る。 よ う に（ 図 ５ は 静 電 容 量 の 特 性 ）、 寿 命 を の経時に対する特性は図５に示す EDLC （２）EDLC の残存余命延伸 ことができる。 し 変 化 量 を 拡 大 さ せ れ ば、 寿 命 時 間 は 時間である。規定変化量 寿命として規定された変化量 図 （１）残存余命延伸の考え方 ５．EDLC の寿命時間の延伸 て推定する。 図 ④ 抵抗は式（７）から求める ･･･････（７） 例 し た 急 峻 な 電 圧 変 動 が 現 れ る。 こ の 電 圧 変動を計測することにより内部抵抗を式 （６） ４．EDLC の残存余命の推定 に よ っ て 知 る こ と が で き る。 内 部 抵 抗 は 時 間 と と も に 変 化 す る の で、 計 測 点 の 時 間 を で表した直線 の静電容量劣化が EDLC で説明する。 特性） 11 12 で き る だ け 同 じ に す る と と も に 電 圧、 電 流 の残存余命が に な る こ と は、 容 易 に EDLC 推 定 で き る 優 れ た 特 性 で あ る。 次 に、 静 電 および温度もほぼ同じに合わせることが望 ま し い。 特 に、 電 圧 跳 躍 直 後 の 電 圧 の 大 き 容量の 特性） ： 寿 命 ま で の 残 さ れ た 時 間（ であり、 になるまでの時間は と ）での特性劣化量は 特性） ：使用開始からの現時点までの時間（ ：現時点での劣化量 ：寿命までの時間（ ：寿命時の劣化量 11 特性を利用した残存余命の推定法 さ は、 秒 単 位 域 で は 変 動 す る の で 注 意 を 要 について、図 （６） ･･･････ する。 内部抵抗 （２）オンライン計測 シ ス テ ム 稼 働 中 に、 電 流 急 変 時 の タ イ ミ ン グ でEDLCの 端 子 電 圧 変 化 幅、 電 流 変 に示す。 化 幅 を 計 測 し て 内 部 抵 抗 を 計 測 す る。 計 測 例を図 である。 現時点（ での計測は、次のように行う。 ① 計測開始指令が出されたら計測を始める 寿命の劣化量 図 ② 電流変化量が規定値になったら計測を終 35 10 10 とによって寿命を延ばすことが可能になる。 以 下、 図 を 用 い て 説 明 す る。 寿 命 時 間 年 ） で 第 １ 回 目 の 定 期 検 査（ 初 期 検 査 ） と を 行 う。 そ の 後 の ３ か 月（ 運 転 開 始 か ら 半 る外観検査と電圧分担（モジュール単位での） とな は寿命として規定された変化量 し て 静 電 容 量、 内 部 抵 抗、 電 圧 分 担 の 計 測 を 行 う（ で き れ ば オ フ ラ イ ン 計 測 が 望 ま し から変化量 に す る と、 寿 命 時 間 は いが困難な場合はオンライン）。計測値の初 び残存余命の推定法， （４）木下，山田，太田： の劣化特性及 EDLC 年電気学会全国大会， No.4-219 ， 2008 （５）田口，稲葉，末永，田中，田島，大坪： 年電気学会全国大会， 7-008 ， 2012 （６）木下，吉玉，平川，田中，角田，田島，大坪： 評価， 過電圧印加による電気二重層キャパシタの劣化 H 20 号の記事をそのまま会報用に編集したものです。） （この記事は技術総合誌〔ＯＨＭ〕２０１６年３月 （ ８） 電 気 学 会 技 術 報 告 書， 第 1121 号， 自 動 車用電源システムマネジメント技術， 2008 pdf/ 20150929-5.pdf http://www.chemi-con.co.jp/company/ 年９月 日 年電気学会全国大会， 7-011 ， 2011 （ ７） 日 本 ケ ミ コ ン ニ ュ ー ス リ リ ー ス， 2015 電気二重層キャパシタの劣化メカニズムの解明， H 24 る 時 間 で あ る。 規 定 変 化 量 まで 長 く な り、 寿 命 時 間 は を増やした に対し 期 値 と 比 較 を 行 い、 正 常 で あ れ ば 運 転 継 続 す る。 次 は 半 年 後 に 同 様 の 計 測 を 行 い、 初 期 値 と の 比 較 を 行 う。 正 常 で あ れ ば 運 転 継 続 し、 次 の 定 期 検 査 は １ 年 後 に 行 い、 以 降 寿命がくるまで１年ごとに検査を行う。 ◆参考文献◆ （１）岡村廸夫：電気二重層キャパシタと蓄電 システム，第３版， 日刊工業新聞社， 2005 （２） 木下繁則 （岡村廸夫監修） ：電気二重層キャ 〉の特性と上手な使い方， パシタ〈 EDLC 日刊工業新聞社， 2013 （３）木下繁則：電気二重層キャパシタの残存 余命推定法， 2008 第 ３ 回， 人 と 環 境 に や さ し い 交 通 を め ざ す 全 国 大会論集， 29 延びる。 メンテナンスの必要性 静電容量および内部抵抗の初期値からの 変 化 量 は、 電 圧 お よ び 温 度 に よ っ て 影 響 を 受 け る の で、 こ れ ら の 特 性 を 数 年 に わ た っ て 継 続 的 に 計 測 す る た め に は、 で き る だ け 同 じ 条 件、 状 態 で 計 測 す る こ と が 望 ま し い。 例えば、年２回の計測であれば春または秋で、 ほ ぼ 同 じ 周 囲 温 度 と な る 季 節、 年 １ 回 で あ に 示 す。 同 れば決められた月日が望ましい。 検査タイミングの一例を図 テム的に不具合がないかの点検で目視によ 図 で は、 ま ず 運 転 開 始 か ら ３ か 月 目 で シ ス 14 H 23 13 36 があります。 一( オ ) フライン計測 この計測は、システムを停止して、電流、 前号では、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）は劣化で 規 定 時 間 内 の 電 圧 の 変 化 量、 電 流 積 分 静電容量Ｃは充電時または放電時での です。 電圧および時期を決めて計測する方法 静電容量が減少し、内部抵抗が増加することを示しまし 電気二重層キャパシタの 劣化診断と残存余命の推定 た。今回はＥＤＬＣの劣化診断、残存余命と保守につい 値を計測することによって知ることが する方法で簡単に知ることができます。端子電圧を測る 簡単に知ることが出来ます。ＥＤＬＣの静電容量は後述 の２乗に比例するので、蓄電エネルギーは端子電圧から ネルギーＥ（Ｊ）は静電容量Ｃ（Ｆ）と端子電圧Ｖ（Ｖ） を知ることは非常に重要な技術です。ＥＤＬＣの蓄電エ が蓄電されているか、また劣化がどの位進んでいるのか 蓄電デバイスとして、 現在どの程度の利用可能エネルギー ［ＥＤＬＣの状態検知］ 求めます。電荷法は端子電圧から計測する方法で、エネ 静電容量Ｃは同図に示しました式⑵または式⑶によって だけ同じにするのが望ましい。 期（または周囲温度）、電流、電圧の計測条件はできる 間から静電容量を計測する方法です。この場合、計測時 動させた状態で図２に示したように電流、電圧および時 二( オ ) ンライン計測 この方法はシステムを停止できない場合、システムを稼 中の式⑴によって求めます。 について示したもので静電容量Ｃは図 電 圧 変 動 が 現 れ ま す。 こ の 部抵抗に比例した急峻な 化させると端子電圧には内 一 オフライン計測 ( ) ＥＤＬＣは電流を急峻に変 測とがあります。 ライン計測とオンライン計 量の計測と同じようにオフ ［内部抵抗の測定］ で き ま す。 図 １ は 充 電 動 作 時 の 計 測 例 ことによって、蓄えられているエネルギーを簡単に、精 ルギー換算法は内部抵抗の損失を考慮してより正確に計 キャパシタフォーラム 個人会員 木下 繁則 て解説します。 度よく且つ直接知ることが出来ることはＥＤＬＣの大き 電圧変動を計測することに ま す。 内 部 抵 抗 の 計 測 は 同 測定法の一例を図３に示し よ り 内 部 抵 抗 を 計 測 し ま す。 内部抵抗の計測には静電容 な特徴です。 測できる方法です。 ［静電容量の測定］ 静電容量の計測にはオフライン計測とオンライン計測と 図 に 示 し ま し た 式（ ４） に よ り 求 め ま す。 前 号 で 説 明 し ま し た よ う に、 内 部 抵 抗 は時間と共にに変化します の で、 計 測 点 の 時 間 を で き るだけ同じにすると共に電 37 圧、 電 流 お よ び 温 度 も ほ ぼ 同じにすることが望ましい。 10 二( オ ) ンライン計測 システム稼働中に、電流急変時のタイミングでＥＤＬＣ の端子電圧変化幅、電流変化幅を計測して内部抵抗を計 測します。特に、電圧跳躍直後の電圧の大きさは秒単位 域では変動するので注意を要します。計測例を図４示し る 優 れ た 特 性 で す。 存余命が推定でき 易にＥＤＬＣの残 に な る こ と は、 容 が で表わした直線 Ｃの静電容量劣化 た よ う に、 Ｅ Ｄ Ｌ 前号で説明しまし 余命の推定］ ［ＥＤＬＣの残存 ミングの一例を図７ 望 ま し い。 検 査 タ イ 態で計測することが る だ け 同 じ 条 件、 状 す る た め に は、 で き たって継続的に計測 らの特性を数年にわ を受けますのでこれ 温度によって影響 変化量は電圧および 抵抗の初期値からの 静電容量および内部 次に静電容量の 特 は、 ま ず 運 転 開 始 か に 示 し ま す。 同 図 で ） ら３ヶ月目でシステ ム的に不具合がない かの点検で目視によ る外観検査と電圧分担検査を行います。その後の３ヶ月 目の定期検査（初期検査）で静電容量、内部抵抗、電圧 常であれば運転継続します。次は半年後に同様の計測し、 分担の計測を行います。計測値の初期値と比較を行い正 ＥＤＬＣの経時に対する特性は寿命を超えてもある期間 次の定期検査は一年後に行い、以降寿命がくるまで一年 初期値との比較を行います。正常であれば運転継続し、 和することによって寿命を延ばすことができます。 毎に検査を行います。 て規定された変化量 となる時間です。 今号の解説内容は下 記の本に書かれていま 次号はＥＤＬＣの保護 す。参考にして下さい。 について解説します。 規定変化量を から変化量 を増やした にすると寿命 ＥＤＬＣの静電容量と内部抵抗は経時変化し、変化量が 特性を検査してメンテナンスすることが望ましい。 規定値に達すると寿命となります。このため、定期的に ［ＥＤＬＣのメンテナンス］ 時間は に対し、 長くなり、寿命時間は まで延びます。 以 下、 図 ６ を 用 い て 説 明 し ま す。 寿 命 時 間 は 寿 命 と し はほぼ線形に変化します。この特性から規定変化量を緩 ［ＥＤＬＣの残存余命延伸］ 図の式（６）となります。 を 引 い た 時 間 と な り ま す。 実 時 間 の 残 存 余 命 時 間 は 同 での時間は と推定されるので、残り時間 は から で の 特 性 劣 化 量 は で あ り、 寿 命 の 劣 化 量 が に な る ま 余命の推定法について図５で説明します。現時点（ 性を利用した残存 T1 T1 ます。 t4 t2 図４での計測は次のように行います。 t3 ａ 計 ( ) 測指令が出された時刻 で計測を開始します。 ｂ( 電 ) 流変化量が規定値に入る時刻 から の間で計測 します。 t3 t1 ｃ( 計 ) 測区間 時(刻 ～ の)データを集計して、時刻 で計測を終了します。抵抗は同図の式⑸から求めます。 t2 38 企 業 紹 介 企業紹介: 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 国立研究法人 産業技術総合研究所 産業技術総合研究所（産総研）は旧・工業技術院傘下の研究所等 の再編により 2001 年に誕生した公的研究機関です。茨城県つくば市ほか、全国 9 拠点にお ける常勤研究者は 2000 人を越え、日本の産業や社会に役立つ技術の創出とその実用化や、 革新的な技術シーズを事業化に繋げるための「橋渡し」機能に注力しています。 創エネルギー研究部門・エネルギー変換材料グループはつくばセンターにあり、大容量 キャパシタ用の炭素系電極材料の開発に取り組んでいます。以下、最近の成果の一つであ る MgO 鋳型メソポーラス炭素（Mg-MPC）キャパシタについて紹介します。 鋳型を用いた多孔質炭素材料は、賦活により調製される市販活性炭に比較すると、必要 なサイズ・形状の細孔が導入可能で、多孔質炭素の高付加価値化の観点から注目されてい ます。Mg-MPC は MgO 粒子を鋳型とした多孔質炭素材料で、メソ孔構造を精密に制御で きる上、低コストでの製造法確立により、鋳型炭素としては世界初の工業化に成功しまし た。この材料は現在、東洋炭素株式会社から CNobel®（クノーベル）として提供されてい ます。 Mg-MPC の細孔構造の特徴として(１)メソ孔が３次元的につながる（連通孔）(２)メソ孔 と共にミクロ孔が発達、の点が挙げられます。(１)の特徴は細孔内部への物質拡散を促進可 能で、分子の吸脱着、電荷・イオン移動などの応答性能が優れることにつながります。ま た(２)に関し、全細孔容積の半分近くがミクロ孔由来です。TEM 観察結果からメソ孔を形 作る細孔壁が炭素網面数枚と薄く、網面間の隙間がスリット型ミクロ孔として有効に機能 することが推定されます。これらの特徴は大容量キャパシタ電極の設計上極めて有利であ り、図に例示するように優れた出力特性（図 1）、また低温特性（図 2）が得られています （いずれも 1M TEABF4/PC、2 極セルによる測定例。AC：市販活性炭） 。さらに現在は、 ハイブリッド化を含めた新規キャパシタ電極の開発に挑戦しています。 図1 39 出力特性 図2 低温における容量の変化 株式会社大木工藝 【会社概要】 会社名：株式会社大木工藝 所在地：滋賀県大津市中野三丁目㻠番㻝㻟号 㼀㼑㼘 ：㻜㻣㻣－㻡㻠㻥㻙㻝㻟㻜㻥 㼁㻾㻸 ：㻜㻣㻣－㻡㻠㻥㻙㻝㻥㻟㻟 創 業：昭和㻠㻡年㻠月㻝日 設 立：平成㻥年㻟月㻝㻤日 代表者：大木武彦 資本金：㻢㻜㻜㻜万円 従業員：㻝㻢名 【事業概要】 炭素材料および炭素材料応用製品の研究開発、 製造、販売 （医療・衣料・建築・装飾・美容・電子部品及び調理 器関連製品） 【本件に関する問い合わせ先】 株式会社大木工藝 㻛 㼀㼑㼘 㻜㻣㻣㻙㻡㻠㻥㻙㻝㻟㻜㻥 【会社の強み・コア技術・主力商品】 㼇強み㼉 大木工藝は、炭素材料およびその応用製品の スペシャリストとして炭素製品を開発して市場に 提供してきた豊富な経験がある。早くから龍谷大学、 関西大学、京都府立医科大学等と共同研究を 実施して産学連携を重視した先端の研究開発に 取組んできた。その結果、独自の製造プロセス、 応用技術を有し、炭素技術に関する広い分野での 知的財産を取得している。 㼇コア技術㼉 高熱伝導炭素シート技術、等方性高密度炭素の 応用と遠赤外線製品応用技術、㻼㻱㼀由来の 高比表面積活性炭製造とキャパシタ電極への 応用などの炭素材料・製品の研究開発及び製造 㼇主力商品㼉 等方性高密度炭素応用製品（調理器・ヘルスケア） 、炭素シート（建築用節電シート）、炭素繊維関連 （スーツ型温熱治療器）、活性炭（エネルギー分野・ 産業応用分野） 㻛 㻱㻙㼙㼍㼕㼘㻌㼗㼥㼛㼠㼛㻬㼛㼔㼗㼕㻙㼠㼑㼏㼔㼚㼛㻚㼏㼛㼙 40 企 業 紹 介 アイオクサスジャパン株式会社 当社は、キャパシタフォーラムの名誉会長でありま 2．Ｘシリーズ す岡村廸夫氏が1987年に設立した岡村研究所（(株)パ タイタンシリーズのセルを使用した標準モジュールとして ワーシステム）を母体にした会社です。電気二重層 Ｘシリーズを開発しました。 キャパシタを用いた蓄電システムの研究活動から始め、 １２５０Ｆ、２０００Ｆならびに３０００Ｆを６直を最小単位とし、 2005年からオムロン様、三井物産様の出資のもとオム 最大４８直（３０００Fの場合は３６直）までシリーズ化しまし ロン様草津事業所内でキャパシタセル量産設備の操業 た。 を開始しました。 2007年よりラミネート型セルを使用したキャパシタ モジュールを国内大手ユーザー様へ量産供給を開始し、 ヒートシンク Heat sink 今なおご使用いただいております。 2012年には、株式譲渡によりアメリカIoxus（アイオ 外観 General view クサス）社と合併、セルの開発・生産拠点を一拠点に 集約し、開発・生産効率の向上を図りました。 正面図 Front view ラック搭載時 When mounted on a rack セル間をレーザー溶接でつなげていくため、バスバー接続 国内にはラミネート型セルを使用したモジュールの に比べ低抵抗なモジュールが提供できます。また、外形が 製造ラインを保ち、国内で品質管理された製品を顧客 ヒートシンク構造となっているため、熱抵抗を低く抑えられ 様にお届けしております。 ます。 2013年にはアイオクサスジャパン(株)と社名を変更 RoHS,中国RoHS対応、衝撃、振動もSAE,IEC,ISOの規格を満 し、両社の強みを生かしグローバル展開を図っており 足するものとなっており、また防塵防水（IP76）設計となっ ます。 ています。 1. キャパシタセル 標準ラックに搭載でき、配線は前面のみで行えます。 元々日本で開発・製造していたプロピレンカーボネートを 電界液としたラミネート型セル（Ｌタイプ、Ｕタイプ）に、アメ リカで開発・製造している捲回型セルが加わりアプローチ できるアプリケーションの幅が広がりました。また捲回型セ ルにプロピレンカーボネートを使用した日本向け製品を開 発するなどラインナップを広げています。 表1．主なキャパシタセルの仕様 さらに捲回型セルにてTitan（タイタン）シリーズ、８５℃対 応品および２．８５V対応品をリリースしました。 2.7V / 85℃ 2.7V / 85℃ 今後もセル性能の向上を目指し開発に力を入れています。 表１に主なキャパシタセルの仕様を、表２にはタイタン １２５０Fの耐久試験結果を示します。 表2．タイタン１２５０Ｆセルの耐久試験結果 41 三菱製紙株式会社 三菱製紙株式会社 ◎NanoBaseX についての説明 弊社は 1898 年の創業以来、技術の力で社会に貢献す NanoBaseX は、合成繊維不織布を基材に、弊社がイン る方針をかかげ、次代のニーズを的確にとらえた付加価 クジェット用紙のトップメーカーとして培った多孔性コーティ 値の高い商品を開発提供して参りました。 ング層形成技術を適用した不織布セパレータです。 (図 本稿では、弊社の不織布技術を活用して誕生しました電 気二重層キャパシタ（EDLC）、リチウムイオン電池（LIB）等 3)。 cross section セラミック層 セラミック層 の蓄電デバイス用のセパレータ、nanobase シリーズにつ ポリエステル 不織布 いて紹介いたします（図１）。 図 3 不織布塗工セパレータ NanoBaseX Separators needed for superior energy storage devices 塗層のセラミックと耐熱性の高いポリエステル不織布基材 との相乗効果で、低熱収縮率で安全性の高いセパレータ を実現しました。図４に示す釘刺し試験の結果の通り、塗 布型微多孔膜を使用した電池は釘の貫通後数秒で発火し たのに対し、NanoBaseX を使用した電池は発火・発煙にい たらず、高い安全性の向上効果が確認できます。また、サ 図１ 三菱製紙のセパレータ製品 nanobase シリーズ イクル寿命については、電池の構成によって異なるもの 弊社の nanobase シリーズは大きく分けて、抄紙タイプの の、高い保液性を有する NanoBaseX が有利になる結果が NanoBase2 と塗工タイプの NanoBaseX があります。 ◎NanoBase2 についての説明 NanoBase2 は、ナノレベルまで微細化されたセルロース 得られており、電池の長寿命化への貢献も期待できます。 LIB の安全性向上の要望は今後も高くなる一方ですが、 コストダウンも非常に重要な開発課題になってきています。 繊維と、合成繊維を複合化した不織布セパレータです。微 周辺回路の高度化等も含め安全性向上対策が検討されて 細化セルロース繊維を使用することで、一般的な不織布よ いますが、LIB の安全性を犠牲にすることなく繰り返し特性 りも遥かに微細なポアを形成することができ(図２)、EDLC 等の電池特性の向上も期待できる NanoBaseX は、今後の に最適なポア径制御が可能となります。従来のオールセ LIB の用途拡大に大きな貢献を果たせるものと確信してい ルロースセパレータとの互換性をできるだけ維持しつつ、 ます。 合成繊維複合化による強度向上、耐熱性向上という特長 を付与し、今後の EDLC の高圧化、高温化にも有利なセパ レータとして期待されています。 図 4 釘刺し安全性試験結果（左：塗布型微多孔膜使用電池（発火）、 右：NanobaseX 使用電池(発火･発煙無し)） 現在、NanoBase2、NanoBaseX、ともに車載用を中心に 図 2 不織布比較 （左：NanoBase2、右：一般的な不織布） 国内外含め、採用が拡大中です。 ■ 42 ２０１5年度活動報告 [ ２０１5年度年次大会] ２０１５年５月１５日リコー殿新横浜事業所で総会及び下表の講演が行われた。 ⑤（株）豊田自動織機 ⑤ＦＣフォークリフトの開発 藤森弘幸様 ①東京大学大学院 古関隆章様 ①気鉄道のエネルギー供給と パワーマネージメント ②太陽光発電技術 研究組合 高川悌二様 ⑥ＳｉＣパワー半導体と適用パワ ②日本の太陽光発電の現状と将来 ⑥富士電機 ( 株） 松本康様 エレ装置の開発動向 ～太陽光発電技術研究組合の 役割～ ⑦トヨタ自動車 ( 株） ⑦ＳｉＣパワーデバイス実用化に 鳥居薫様 向けた取り組み～サスティナブ ③世界の風力発電の動向 ルモビリティへの対応とＳｉＣ 実用化に向けた取組み～ ③一般社団法人 日本風力発電協会 鈴木章弘様 ④（株）ダイフク ④ダイフクにおけるワイヤレス給 電製品の実績と今後 布谷誠様 〔定例フォーラム〕 定例フォーラムは下表のように計７回開催された。 ①個人会員 木下繁則様 ②三井金属工業（株） 小宮未希子様 ③アドバンストコンポジ ③新たな放熱材料： ①第５回基礎講座 グラファイトアルミについて ット（株） 鈴木達郎様 ②会社紹介と蓄電池部材商品の紹 ④ＩＳＳとマイクログリッドの ④（株）デンソー 介 蓄電技術 山田学様 ①個人会員 木下繁則様 ①第 4 回基礎講座 ③会社案内と製品（セパレータ： ③三菱製紙（株） ②群馬大学大学院 ＥＤＬＣ用、ＬｉＢ用 ＣＮＴ ②電気化学キャパシタ用新規 金田安生様 白石壮志様 分散液）の紹介 グラシックカーボン電極の開発 ①個人会員 木下繁則様 ③ＪＦＥテクノス（株） ③蓄電池内蔵型の急速充電器の ①第３回基礎講座 ②水野エンジニアリング 石川洋史様 活用について ②機械システムの見方・考え方 水野光春様 ① CONNEXX SYSTEMS（株） 塚本壽様 ②個人会員 木下繁則様 43 ①高出力型１２V 電池 ” ハイパー電池 TM ②第２回基礎講座 ③三菱商事（株） ③世界の鉄道インフラと 最先端車両 ①個人会員 木下繁則様 ①第１回基礎講座 ②東京大学大学院 ②ﾜｲﾔﾚｽｲﾝﾎｲｰﾙﾓｰﾀｰの開発と電気自 ③ John R.Miller 様 藤本博志様 動車での走行評価 Ultra-High-Rate EDLCs Created using Vertically -Oriented Graphene Electrodes 堀会長 中国訪問の記 国土交通省 新保雄太様 次世代大型開発促進事業の 実証実験報告 元東京工業大学特任教授 松本吉彦様 自律分散電力システム開発への道 サンケン電気（株） 佐藤伸二様 ＳｉＣﾊﾟﾜｰﾃﾞﾊﾞｲｽを用いた高効率・ 小型電源の実装技術 INFORMATION －事務局から－ ２０１５年度からキャパシタフォーラムが大容量キャパシタ普及への取組みの一つとして開始した 案件が寄付金です。フォーラムの予算内ですから大金ではありませんが大容量キャパシタの研究・開 発をテーマとした大学研究室など予算の限られたテーマに寄付金を差し上げます。使い道は原則自由、 会計報告も必要ありません。条件はキャパシタフォーラムの月次フォーラム或いは年次大会で報告し ていただくことです。 ２０１５年度は準備時間が取れなかったこともあり堀会長の研究室の黄氏・畑氏の 「電気自動車の走行中給電の為の電池・キャパシタ・ワイヤレス電力伝送によるハイブリッドシス テムに関する基礎研究」に差し上げ５月２０日の「１２周年記念セミナー」で成果を発表していただ きます。２０１６年度に関しましては福岡工業大学 田島氏、長岡技大 日下氏２件への寄付を予定 しております。 テーマの選定につきましては企画委員会でおこなっておりますが、会員の方々からテーマの提案を いただければより充実したテーマ選定が可能となりますのでご提案ください。 年間２～３件を計画しております。 この会報をご覧になった方でキャパシタフォーラムに関心をもたれた方下記の事務局 アドレスまでメールをください。詳しい資料をお送りいたします。 会員企業（２０１6年4月時点） アイオクサスジャパン（株） アドバンストコンポジット（株） （株）大木工藝 大阪ソーダ（株） 大塚化学（株） 菊水電子工業（株） クラレケミカル（株） ＣＯＮＮＥＸＸ ＳＹＳＴＥＭＳ（株） （株）サンクメタル サンケン電気（株） ＪＸ日鉱日石エネルギー（株） ＪＭエナジー（株） 住友商事（株） ＴＯＣキャパシタ（株） （株）デンソー 東洋合成工業（株） （株）豊田中央研究所 日本ケミコン（株） 日本ゼオン（株） 日置電機（株） ヘッドスプリング（株） 三井金属工業（株） 三菱製紙（株） 三菱電機（株） ＵＤトラックス（株） リケンテクノス（株） リコー株式会社 （個人会員20名） 私がキャパシタフォーラムの会報 の作成を担当してから今１１号で７ 冊目になってしまいました。全くの 素人がやるのですからすべて大変な のですが、最も苦労するのは表紙の デザインです。記事集めは企画委員 会で行いますので納期管理などそれ なりの手間はかかりますが、しょせ ん事務作業デザインに比べれば大し たことはありません。１１号の表紙 もこれで本人としては苦労している のです。 １１号の記事はＯＨＭ社の要請で 会員の方が執筆された原稿を同社の ご厚意で一部転載させていただきま した。記事集めの事務はかなり軽減 されています。ＯＨＭ社の原様あり がとうございました。 キャパシタフォーラム会報誌 ２０１６年４月発行 編集/発行：キャパシタフォーラム事務局 ウェブサイト：http://capacitors-forum.org/ メール：zimukyoku @capacitors-forum.org 2016.4 1 300 44