Ni-MH 電池の大型化に適した新規電池構造の開発と性能実証 - J

原著
Ni-MH 電池の大型化に適した新規電池構造の開発と性能実証
西村 和也（川崎重工業株式会社 ギガセル電池センター，[email protected]）
高﨑 智昭（川崎重工業株式会社 ギガセル電池センター，[email protected]）
境 哲男（独立行政法人産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門，[email protected]）
Development of Ni-MH battery with a new structure suitable for scaling-up and verification test
Kazuya Nishimura (GIGACELL Battery Center, Kawasaki Heavy Industries, Ltd., Japan)
Tomoaki Takasaki (GIGACELL Battery Center, Kawasaki Heavy Industries, Ltd., Japan)
Tetsuo Sakai (Research Institute for Ubiquitous Energy Devices, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan)
要約
大容量の産業用電池として安全性の高いニッケル水素電池が検討されているが、従来構造である集電タブのある捲回式電池を
大型化すると発熱が多くなり現実的ではない。そこで、筆者らは、高容量化と高出力化、低コスト化を実現できる新規電池構
造として、電極と集電体は溶接せず接触のみで導通を保持しつつ、多数の電極を大面積の金属板で集電する方式を提案した。
この電池構造の有用性を確認するために、0.77 Ah× 単セル（1 Wh）、141 Ah×30 セル（5 kWh）、1,200 Ah×10 セル（14 kWh）と
電池の大型化を行い、電池を大型化しても内部抵抗は一定の値を示すことを確認し、新規電池構造は大型化に適した電池構造
であることを確認した。
キーワード
従来の電池構造では、電極に金属タブを溶接して、集電端
電池構造，大型化，大容量化，内部抵抗，発熱
子を取り出す方法が一般的である。この方法では、電極を大
型化すると、タブから離れた部分では分極が大きくなり抵抗
1. はじめに
が増大する。一方、電極数を増やすと、溶接箇所が増大して、
産業革命以降、人類は化石燃料から電気エネルギーを得る
工程管理やコスト増大につながる。
方法を発明した。近代工業化による大量生産・大量消費、IT
筆者らは、高容量化と高出力化、低コスト化を実現できる
技術の発達による情報化社会への移行によって、電気エネル
新規電池構造として、電極と集電体は溶接せず接触のみで導
ギーの消費量は加速度的に増大している。これに伴い、化石
通を保持しつつ、多数の電極を大面積の金属板で集電する方
燃料の枯渇、大気汚染や地球温暖化といった環境問題も浮上
式を提案した。この電池構造の有用性を確認するために、0.77
している。
グリーンニューディール政策の世界展開によって、わが国
Ah ×単セル（1 Wh）、141 Ah × 30 セル（5 kWh）、1,200 Ah×
10 セル（14 kWh）と電池の大型化を行い、電池性能の評価を
でも代替エネルギーや省エネルギーなどの新しい技術に大き
行ったので報告する。
な関心が集まっている（Sakai, 2010）
。今後は、太陽光や風力
など、再生可能エネルギーの発電に占める割合が増大すると
2. 実験
考えられる。また、自動車のみならず、電車などの公共交通
図 1 に新構造電池単セルの概念図を示す。プリーツ加工し
機関においても、蓄電デバイスを用いた省エネルギー化が盛
たセパレータに短冊状正極板と短冊状負極板を交互に装填
んに進められている（Nishimura and Tsutsumi, 2007; Tsutsumi,
2008; Tsutsumi and Matsumura, 2009; Yamazaki et al., 2010;
Ogura et al., 2010)。
＋端子
−端子
石油代替エネルギーの普及や省エネルギー化を進める上で
のキーテクノロジーの一つが蓄電デバイスである。特に、発
電や公共交通機関の負荷変動を吸収するためには、高出力で
大容量な蓄電池が不可欠である。この要求に応じるためには、
ニッケル水素電池のように安全性が高く、高出力で高エネル
正極
負極
電極体
ギー密度な蓄電池について、さらなる耐久性確保が必要と考
える。
産業用途では、大容量を得るためにセル容量を大きくし、
Oリング
また、高電圧を得るために複数のセルを直列積層して用いる。
セパレータ
1,000 A 程度の大電流で充放電すると大量のジュール熱が発生
するため、効率的に排熱しないと電池温度が上昇し、電池寿
命が短くなる。これが、10 ～ 15 年の長期耐久性を要求され
る産業用途での大きな課題となっている。
Union Press
ボルト
ナット
ポリプロピレン製ケース
図 1：ギガセル構造セルの概念図
科学・技術研究　第 2 巻 2 号　2013 年
113
表 1：各電池容量の電極寸法と装填枚数
電池名称
電池容量（Ah）
電極サイズ
ａ
0.77
ｂ
ｃ
装填枚数
積層数
電力量（kWh）
正極
負極
－
29 × 60 mm
3枚
4枚
1
0.0009
141
29 × 230 mm
150 枚
151 枚
30
5.1
1200
29 × 230 mm
1200 枚
1208 枚
10
14.4
体をポリプロピレン製のセル枠にはめ込み、次いで、正極側
mAh/g として正極の 3.7 倍）としてある。電解液は 4.8 N-KOH、
1.2 N-NaOH の 2 元系とし、セパレータは親水化処理したポリ
と負極側にそれぞれニッケルメッキを施した鋼板を配置し集
プロピレン製不織布を用いプリーツ状セパレータとした。
電体とする。電極と集電体の接触を保持するため、集電体外
表 1 に各電池の仕様を示す。
側に固定板を配置し、電極体を圧縮する方向に固定した構造
図 2 にギガセル構造電池の大型化概念図を示す。30 積層電
である。この構成では、電極と鋼板は溶接されておらず、押
池、10 積層電池に関しては、バイポーラ構造とし、セルとセ
しつけ力だけで集電する構造となっており、大容量化した際
ルの間に放熱板としてアルミ製多孔管を配置し、ファンによ
でも容易に製造可能な構造とした。この溶接せず接触のみの
る強制空冷構造とした。
新集電方式をギガセル構造と称し、これによって得た電池を
図 3 に各電池の外観を示す。
し、同じ極性の極板は同じ面にして電極体とする。この電極
ギガセル型電池と称する。
正極は、水酸化ニッケル粉末を導電助剤とバインダーを混
3. 結果と考察
合したスラリーを発泡状ニッケルに充填する方法で作製し
3.1 0.77Ah ×単セル電池の評価
た。すなわち、水酸化ニッケル（100 wt%）に対して、5 wt%
図 4 に 0.77 Ah 単セル電池の 0.5 C-1.5 C における放電曲線を
の炭素粉末（CB）と 5 wt% のエチレンビニルアセテート（EVA）
表す。1 C（= 0.77 A）の電流で定格容量である 0.77 Ah まで充
と、キシレン 20 % を混合しスラリーとし、発泡ニッケルに
電を行った後、各レートで放電を行った。1.5 C（= 1.155 A）
含浸した後、乾燥、プレスすることで、厚さ 0.35 mmT のシー
放電時にも約 1.2 V の放電電圧と 0.7 Ah 以上の放電容量が観測
ト状電極とした。得られたシート状電極は 230 mm 長さで 29
された。
mm 幅に裁断し、短冊状電極とした。
図 5 に、放電開始後 10 秒の電流値と電圧値のプロットを示
負極は合金粉末を導電助剤やバインダーと混合したスラ
す。この傾きから電池の内部抵抗は 31.6 mΩ と算出できる。
リーをパンチングメタルに塗布する方法で作製した。すなわ
ち、水素吸蔵合金として 5 元系（MmNi3.7Co0.7Mn0.3Al0.3）水素吸
蔵合金（100 wt%）に対して、増粘剤としてカルボキシルメチ
ルセルロース（0.2 wt%）、バインダとしてスチレンブタジエ
ンゴム（0.5 wt%）を用いて水性スラリーとし、パンチングメ
タルに塗布、乾燥およびプレス処理によって厚さ 0.35 mm の
シート状電極とした。得られたシート状電極は 230 mm 長さ
で 29 mm 幅に裁断し、短冊状電極とした。
負極（N）と正極（P）の容量比（N/P）は 3.7（合金容量を 300
負極成形体
（a）0.77 Ah ×単セル
水素吸蔵合金／基材
（b）141 Ah × 30 セル
正極成形体
水酸化ニッケル／基材
セパレータ
押しボルト
PP 不織布
固定板
負極成形体
セパレータ
冷却ファン
単セル
正極成形体
図 2：ギガセル構造の概念図
114
（c）1,200 Ah × 10 セル
図 3：各電池の外観
Studies in Science and Technology , Volume 2, Number 2, 2013
西村 和也他：Ni-MH 電池の大型化に適した新規電池構造の開発と性能実証
1.4
1.2
1.1
1.5 C-放電
37
35
60
1.5 C 放電
33
50
1 C 放電
31
1.5 C 放電
1 C 放電
0.5 C 放電
25
200
400
600
容量（mAh）
800
50
20
150
100
容量（Ah）
図 7：141 Ah × 30 積層電池の充放電特性
図 4：0.77 Ah ×単セルの充放電特性
1.40
1.39
1.39
1.38
1.38
1.37
1.37
1.36
1.36
1.35
1.35
1.34
0.0
0
1000
後、各レートで放電を行った。1.5 C（= 211.5 A）放電時にも
約 1.2 V の放電電圧と 130 Ah 以上の放電容量が観測され、温
0.77 Ah× 単セル
内部抵抗 = 31.6 mΩ
電池容量 = 0.9 Wh
度上昇は約 8 ℃であった。
図 8 に放電開始後 10 秒の電圧値と電流値のプロットを示す。
この直線の傾きから内部抵抗は 6.1 m Ωと算出できる。
41.2
0.5
1.0
電流（A）
1.5
2.0
図 5：0.77 Ah 単セルの放電開始後 10 秒の電流と電圧の関係
モジュール電圧（V）
0
40
30
27
0.9
電圧（V）
0.5 C 放電
29
1
70
0.2 C 充電
39
電圧（V）
電圧（V）
41
0.5 C-放電
1.0 C-放電
1.3
0.8
80
43
1 C-充電
温度（℃）
1.5
141 Ah×30 積層
内部抵抗 = 6.1 mΩ
電池容量 = 5.1 kWh
41.0
40.8
40.6
40.4
40.2
40.0
図 6 に、電池容量を約 2 倍に大きくした 1.3 Ah× 単セルの
0
100
200
300
電流（A）
サイクル試験結果を示す。2 C 充電で 1.3 Ah まで充電し、2 C
にて 0.8 V まで放電した。サイクル初期から、Ah 効率（放電量
図 8：141 Ah × 30 積層電池の放電開始後 10 秒の電流と電圧の
／充電量）は 99 % 以上であり、1,000 サイクルくらいまで保
関係
持された。1,000 サイクル以降から徐々に効率が低下し始め、
1,900 サイクルにて約 85 % まで低下した。
3.3 1,200 Ah × 10 積層電池の評価
図 9 に同電池の 0.5-1.5 C における放電曲線を表す。0.2 C（=
3.2 141 Ah × 30 セル積層電池の評価
図 7 には 141 Ah × 30 積層電池の充放電グラフを示す。0.2 C
（= 28.2 A）の電流で定格容量である 141 Ah まで充電を行った
240 A）の電流で定格容量である1,200 Ahまで充電を行った後、
各レートで放電を行ったところ、1.5 C（= 1,800 A）放電時で
も約 1.24 V の放電電圧と 1,100 Ah 以上の放電容量が観測され、
温度上昇は約 5 ℃であった。
1.8
15
1.7
100
14
60
1.4
1.3
40
充電：2 C×1,300 mAh
放電：2 C，0.8 V カットオフ
温度：25 ℃
容量：1,300 mAh
20
0
0
0.5 C 放電
60
12
50
11
1.2
10
1.1
9
1.0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
70
13
電圧（V）
1.5
電圧（V）
Ah効率（%）
1.6
80
80
0.2 C 充電
8
1.5 C 放電
1.5 C 放電
1 C 放電
40
温度（℃）
120
1 C 放電
30
0.5 C 放電
0
500
1000
サイクル数
容量（Ah）
図 6：1.3 Ah 単セルのサイクル試験結果
図 9：1,200 Ah × 10 積層電池の充放電特性
科学・技術研究　第 2 巻 2 号　2013 年
20
1500
115
40
す。この傾きから内部抵抗は 0.25 m Ωと算出できる。
35
13.65
1,200 Ah×10 積層
内部抵抗 = 0.25 mΩ
電池容量 = 14.4 kWh
13.60
13.50
13.45
13.35
13.30
13.25
0
500
1000
電流（A）
1500
2000
図 10：1,200 Ah × 10 積層電池の放電開始後 10 秒の電流と電
圧の関係
141 Ahセルの内部抵抗
30
25
20
15
10
5
0
13.40
内部抵抗（mΩ･Ah／セル）
総電圧（V）
13.55
内部抵抗[mΩ･Ah]
図 10 に放電開始後 10 秒の電圧値と電流値のプロットを示
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
1,200 Ahセルの内部抵抗
0
5
10
セル番号
3.4 各電池の比較
図 12：各電池容量での再現性確認
電池容量や積層数が異なる電池の内部抵抗値の大小を直接
比較するために、抵抗値を規格化して m Ω ･Ah ／セルとした。
図 11 に各電池の電池容量と内部抵抗を示す。電池容量が大
部抵抗は一定の値を示すことを確認した。また、ファンによ
きくなっても内部抵抗は同程度の値を示し、大型化しても内
る強制空冷とすることで、電池の温度上昇が小さい電池と
部抵抗の増大はほとんどないことが分かった。
なった。性能試験によって、このギガセル構造は大型電池に
適した電池構造であることを確認した。なお、現在商品化し
ているギガセルは改良を重ね、セル内部抵抗のバラツキは解
内部抵抗（mΩ･Ah／セル）
50
消している。
40
引用文献
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
電池容量（Ah）
図 11：電池容量と内部抵抗の関係
図 12 に 141 Ah 及び 1,200 Ah 積層電池における各セルの内
部抵抗のバラツキを示す。141 Ah × 30 積層電池では 30 mΩ
Ah ± 7 m Ω Ah、1,200 Ah × 10 積層電池では 30 mΩAh±5 m
Ω Ah であり、大型化してもセル間のバラツキを少なくできる
ことが分かる。
以上より、ギガセル構造の電池は、電極と集電体が溶接に
よらず接触のみの構造としているが、大容量化しても内部抵
抗の増大がなく、温度上昇も少ないことが実証できた。
4. まとめ
電池を大容量化する際には発熱を極力抑える必要がある。
Nishimura, K. and Tsutsumi, K. (2007). A wet synthesis sealing
up battery. Powder Science and Engineering , Vol. 39, No. 7,
1-6.
Ogura, K., Matsumura, T., Tonda, C., Nishimura, K. and Kataoka,
M. (2010). Effective utilization of energy from train regenerative braking: Battery power system for railways. Kawasaki
Technical Review , Vol. 170, 24-27.
Sakai, T. (2010). The role of battery technologies for reducing
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Tsutsumi, K. (2008). The latest energy saving technology development on railway system. Journal of the Japan Institute of
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Tsutsumi, K. and Matsumura, T. (2009). Revolution in storage
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Yamazaki, H., Akiyama, S., Hirashima, T., Kataoka, M. and Matsuo, K. (2010). Urban transportation that is friendly for
people and the environment: SWIMO-X Low-floor batterydriven light rail vehicle. Kawasaki Technical Review . Vol. 170,
16-19.
ニッケル水素電池において、電池の内部抵抗を低減する新た
な手法を見いだした。溶接によらず接触のみで集電するギガ
（受稿：2013 年 9 月 10 日　受理：2013 年 10 月 4 日）
セルと名付けた構造にすることで、電池を大容量化しても内
116
Studies in Science and Technology , Volume 2, Number 2, 2013