The company's innovation is the architecture of a structural sheet that becomes a power plane. The architecture is a massively parallel array of independent cells and has stress management and fault-tolerance built into its design. The technology is agnostic to either supercapacitor, lithium battery or hybrid storage technology.
By combining weight bearing and energy storage in one structural sheet, a systemic approach to energy management is possible, with power accessible at the point of use throughout the accessible surface area of the device. For the first time, energy management stakeholders include architects, designers, mechanical or civil engineers and system integrators, who can specify and buy a structural material that provides local power access. The multi-layered sheets can achieve twice the energy density of commercial supercapacitors.
The company has filed its own patents on the PowerWrapper™ technology platform and also holds worldwide exclusive rights to the broad background patent filed by Rensselaer Polytechnic Institute.
The PowerWrapper™ is made by print-forming complex, fully functional components like electrodes and a porous separator in situ, using techniques compatible with high volume roll to roll printing methods. However, unlike most other printed devices, the PowerWrapper™ is not built around any starting web or paper sheet. The entire integrated device is print-formed from particles, resulting in unprecedented design control to tune the mechanical and storage properties of the sheet to the desired application. Designed to be 'cut to fit,' the unit device can be shaped and sized specifically to the power storage and shape desired, including patterned holes. These processes thus enable addressable power cells or entire power planes to be built based on OEM specifications.
If the Company is successful, the sheets would be the first flexible and scalable thin sheet-like electrostatic storage product available today.
Source and top image: The Paper Battery Company
For more read : Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2010-2020
and attend Energy Harvesting & Storage and Wireless Networks & RTLS Europe 2011
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＊ 10の論点で蓄電池の将来を予測 ＊
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┃ 『2015年に蓄電池業界はこうなる』
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┃ 発行：日経BPクリーンテック研究所 ／ 調査：テクノアソシエーツ
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┃ http://ec.nikkeibp.co.jp/cti/cti12.html
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2015年，電池メーカーはどこが勝ち残るか，電池コストはどこまで下がるか，電池の構造や材料は何が主流になるか・・・。皆が知りたいこうした疑問に対し，本レポートはある答えを導きます。自動車の電動化や電力のスマート化とともに新規参入が相次ぎ，蓄電池の市場動向，技術動向はますます混沌としてきました。特に今後，影響力のありそうな中国や韓国の電池メーカーに関しては一般に情報が少なく，先行きが見通しにくい状況です。本レポートは独自の取材と視点により，韓国LG Chemや中国BYDを含むキー・プレーヤ8社を重点的に分析，各社の戦略を基に将来の電池業界の行方を解き明かします。
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【特徴１】一般的に情報が少ない海外の電池メーカーに関する独自データが満載。
●各電池メーカーの戦略：自動車用電池の生産計画，製品仕様，技術的な特徴,コスト目標
【特徴２】蓄電池業界で意見が分かれる10の論点に対し，独自の視点で答えを導きます。
【特徴３】これまでほとんど議論されなかったBMS技術のポイントを解説します。
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***** 3月31日までのお申し込みなら，≪早割特価≫が適用されお得です！ *****
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◎詳細・お申し込みはこちら⇒ http://ec.nikkeibp.co.jp/cti/cti12.html
≪内容≫
1.エグゼクティブ・サマリー
2.2015年までに起こる蓄電池業界10の予測
（1）世界の電池メジャーは8社に絞られる
（2）電池の低コスト化はEVが牽引する
（3）電池のコスト競争力は規模，材料，構造で決まる
（4）中国の電池メーカーは世界を席巻しない
（5）鉄系電池はマイナーな存在になる
（6）BMSは企業間で技術的な差がなくなる
（7）汎用の「18650」は大型電池で主流にならない
（8）定置型電池は電気自動車用がメインとなる
（9）電池生産は一極集中型から地産地消型へ
（10）政府の支援策が電池の市場成長を促す
3.世界を牽引する電池メーカーの企業戦略
・中国メーカー（BYD，天津力神，万向集団）
・韓国メーカー（LG Chem，Samsungグループ）
・米国メーカー（EnerDel）
・日本メーカー（日産グループ，三洋電機）
4.蓄電池の低コスト化，高性能化を牽引する応用技術開発
＜中国＞
・中国のエコカー戦略と技術・市場動向
・「EVS25」にみる中国製EV/PHEV
・中国電池メーカーによる定置型蓄電池の事例
＜米国＞
・米国のエコカー戦略と技術・市場動向
・「LA Autoshow」にみる米国製EV/PHEV
・米国におけるプラグインハイブリッド車の開発
・米国における蓄電技術の動向
＜日本＞
・日本のエコカー戦略と技術・市場動向
・日本の大手自動車メーカーによるEV/PHEV開発動向
・日本におけるコンバートEVの開発動向
・日本企業の定置型蓄電池の取り組み
5.電池設計の要となるBMS（battery management system）技術
（1）BMSの目的と手法
・BMSを使用する目的
・BMS技術の概要および基本的な手法
・BMSのコスト試算および考察
日産自動車「リーフ」
三菱自動車「i-MiEV」
（2）BMSの技術開発および企業動向
・市販BMSや各企業によるBMS技術の動向
BMSの開発主体
事例:中国製の市販BMS
・「18650型」セル使用電池パックとBMS
事例:Tesla Motors社
・アクティブバランス技術
事例:FDK/NEDO
（3）電池管理ICメーカーの特徴と技術の差異化要因
・BMS用ICの概要と技術動向
・主要BMS用ICメーカーのBMS製品と技術
米Linear Technology
米Maxim Integrated Products
米Texas Instruments
OKIセミコンダクタ
6.資料集
・中国自動車業界動向（自動車メーカーの実績・シェア，生産拠点，政府の政策）
・EV関連の新興企業提携動向（中国新興企業，欧米ベンチャーなど）
※内容等は予定です。変更となる場合がございますので予めご了承ください。
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■発行：日経クリーンテック研究所 ■調査：テクノアソシエーツ
■A4変型判・約180ページ ■2011年2月23日発行
■定 価：241,500円（税込）
■早割特価：193,200円（税込）
※早割特価の適用は，2011年3月31日のお申し込み分までとなります。
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◎詳細・お申し込み⇒ http://ec.nikkeibp.co.jp/cti/cti12.html
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『2015年に蓄電池業界はこうなる』をご購入いただいた方は，
研究報告セミナー（無料・申込締切は3/17）」にご参加いただけます。
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【研究報告セミナー】
2015年に蓄電池業界はこうなる 10の論点で蓄電池の将来を予測
本セミナーは，調査分析レポート「2015年に蓄電池業界はこうなる～10の論点で
蓄電池の将来を予測」をご購読いただいた皆様限定の特別企画です。
セミナー当日は，本書で，調査・執筆を担当したテクノアソシエーツのアナリスト
が講師となり，レポート内容について解説するほか，本編には記載しきれなかった
情報も提供します。さらに，質疑応答，意見交換を通じて知見を深めていただく
ことで，本書を今後の事業活動の判断材料として有効活用していただければ幸い
です。
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■主催：日経BPクリーンテック研究所 テクノアソシエーツ共催
■日時：4/15、5/20の開催を予定しております。
詳しくは参加申込書をご覧ください。
■会場：テクノアソシエーツ セミナールーム
（東京都港区赤坂2-17-22 赤坂ツインタワー東館17F）
■参加対象：「2015年に蓄電池業界はこうなる」購入者
（※セミナー参加は1部につき2名までとさせていただきます。）
■定員：50名（※定員になり次第受付を終了いたします）
■申込み：セミナー参加申込書をレポート『2015年に蓄電池業界はこうなる』
に同封してお届けいたします。
（※発行日以降のご注文の場合，レポートのご注文からお届けまでの
期間は，通常3～7日です。お届けする地域によって異なります。）
■申込締切：2011年3月17日（木）
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【キャパシタ】
■キャパシタの高エネルギー密度化・大容量化 800円（税込）
■電気2重層を駆逐するか，Liイオン・キャパシタ 500円（税込）
■自動車用途を目指した大電流に耐える低抵抗のキャパシタ 800円（税込）
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◎「次世代電池 記事セレクション」記事の例
【クルマへの応用】
■多様化する燃料電池車の水素貯蔵技術 500円（税込）
■電池の大型市場としての電気自動車の可能性 800円（税込）
■クルマの王座奪還へ，電動車両に託す米国 500円（税込）
【Liイオン2次電池】
■電気自動車/ハイブリッド車向けLiイオン2次電池の市場動向 800円（税込）
■Liイオン2次電池正極材料の新しい可能性 800円（税込）
■車載Liイオン電池，安全性確保に試行錯誤 500円（税込）
■安全で超寿命の新型2次電池「SCiB」 800円（税込）
【次世代電池】
■ポストLiイオン電池，新型リチウム-空気電池の開発 800円（税込）
■電池の性能を左右する次世代の負極材料 800円（税込）
■ポストLiイオンを狙い，日米で電池開発が加速 800円（税込）
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■自動車用途を目指した大電流に耐える低抵抗のキャパシタ 800円（税込）
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政府の行政刷新会議は７日午後の「規制仕分け」で、電気自動車向け急速充電器の電力契約規制について「同一敷地内で複数の需給契約を結べるよう必要な見直しを行うべき」との結論を示した。現在は同一敷地内で電力契約を１件しか結べないことから、急速充電器の設置が進まず電気自動車の普及が遅れている原因の一つとされている。
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Railpower locomotive offers improved energy efficiency of up to 60% fuel savings and 80% reduction in NOx emissions. Photo courtesy of Railpower.
Harry Valentine considers the advantages of a supercapacitor-powered 'slug' unit. By Harry Valentine
Open Access Article Originally Published: March 03, 2011
There is much ongoing research being aimed at developing super capacitor energy storage devices for automotive transportation applications. Most of this research is aimed at developing super capacitors for use in transportation applications where power-to-weight ratios are quite substantial. As transportation vehicles increase in magnitude, the power-to-weight ratio decreases significantly.
There are a few ready markets for cost competitive, large-scale super capacitor energy storage devices that may be applied to such applications as railway traction operations. While hybrid and battery powered industrial and shunting locomotive depend on lead-acid battery technologies, these batteries do not deliver a surge of power and can only be recharged over extended time durations. The addition of super capacitors could greatly enhance the performance of battery-powered locomotives, except that technology of such magnitude is currently unavailable.
Research into super capacitors has indicated that bi-metallic oxides can store large amounts of energy. For applications such as railway shunting and railway commuter train services, banks of mega-sized super capacitors would need to store energy in low-cost bi-metallic oxides. One such oxide ore actually occurs quite naturally in the bedrock of Madagascar. Its technical name is ILMENITE (iron titanate FeTiO3) and will store considerably fewer watt-hours per kilogram as barium titanate.
Another naturally occurring iron-based mineral is the bi-metallic oxide known as chromite (FeCr2O4). Like ilmenite, it may also have possible application in large-scale super capacitors intended for severe service applications. The molecule barium chromate (BaCrO4) is produced in large quantities at competitive prices across China and India. It is also a bi-metallic oxide capable of holding an electrostatic charge in a large-scale, commercial transportation application.
The engine of a family car that weighs 2500-lb may produce an output of some 75-Hp to 100-Hp output. Engines of 150-Hp to 200-Hp have powered buses that weigh some 25,000-lb. A locomotive of 2500-Hp may pull a passenger train that weighs some 750,000-lb. An engine of some 24,000-Hp may propel a container ship of some 25,000-metric tons deadweight (55,000,000-lbs). As the size of the transportation technology increases, the power-to-weight ratio decreases.
In large-scale transportation applications, the power-to-weight ratio is a fraction of that of a private automobile. There may actually be a market for a super capacitor that can store enough energy to move a train over a short distance. In railway shunting service, the energy stored in a super capacitor way be sufficient to move a train from a standing stop to maximum shunting speed. As the train reaches shunting speed, the batteries would blend in to keep the train traveling at constant speed.
In railway freight operations, there exists a traction technology called a “slug” unit. It is essentially the chassis and traction technology of a diesel-electric locomotive that receives electrical power from a companion diesel-electric locomotive. Several American railways use ballasted slug units to provide additional traction to pull heavy freight trains. The slug unit may be the ideal candidate for large-scale super capacitor technology that stores energy in low-cost, naturally occurring bi-metallic oxides.
The weight of the energy storage units can replace the ballast in the slug units and assist to provide addition traction. A tough, rugged energy storage technology that can operate in extreme cold and extreme heat would assist several types of railway motive requirements. It would also need to quickly dump massive amounts of power into traction motors to start a heavy train and be capable of rapid recharge as the train uses electro-dynamic braking to reduce speed.
A rechargeable railway slug unit could be assigned to service assisting diesel-electric locomotive to pull heavy commuter trains. A single diesel-electric unit and a companion rechargeable slug unit may replace a compliment of 2 x diesel-electric units on a multi-stop 12-coach commuter train. In service, the rechargeable slug unit would absorb energy as the train slows to a stop. That energy may provide 60% to 65% of the energy needed to accelerate the train. During the service stop, the slug unit would also receive additional energy from the companion diesel locomotive.
A rechargeable slug unit may also operate as a companion to an electric locomotive, absorbing deceleration energy and recharging during service stops. Electric locomotives cause severe power swings on the distribution grid. During acceleration, the electric locomotive could draw minimal energy from the power grid as the stored energy in the rechargeable slug unit provides energy to accelerate the train. Power from the grid would gently blend in as the train reaches its cruising speed.
A large rechargeable slug locomotive equipped with 6-axles and a driving cab may be assigned to a commuter train of 7 x bi-level coaches. The locomotive may weigh some 350,000-lb (158,000-kg) and store energy in some 25,000-kg of ilmenite from the mines of Madagascar. It may store some 80 to 100-Watt-hours per kilogram (w-h/kg) of energy, or 2000 to 2500 kW-hr of power, enough to propel the train for a distance of up to 30-miles at a speed of 40-miles power hour. Should the train make a service stop every few miles, it may partially recharge at the stations during the stops.
Conclusions:
While much research is focused on developing a super capacitor technology capable of propelling an automobile for some 100-miles or more, there is possible opportunity to develop mega-scale super capacitor technology for railway traction applications. Such technology could store electrostatic energy using low-cost, naturally occurring ores and minerals. While such storage technology may not provide the energy storage densities of a barium titanate super capacitor, they may do the required tasks in a variety of railway traction applications.
END STORY
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2011/03/03 21:33狩集 浩志＝日経エレクトロニクス 次代の製品開発の技術課題を解決する加工技術
FDKが展示したHEV向けLiイオン・キャパシタ・モジュール
[クリックすると拡大した画像が開きます] FDKは，「第2回 国際二次電池展」（2011年3月2～4日，東京ビッグサイト）にハイブリッド車（HEV）向けLiイオン・キャパシタ・モジュールを参考出品した。10万回以上の充放電サイクル特性を備えるほか，大電流（高レート）での充放電時でも電圧で充放電状態を把握できることから，HEVに向くとする。
FDKによれば，モジュール1個で現状のマイルド・ハイブリッド車，モジュール2個で現状のストロング・ハイブリッド車を駆動できるとする。展示したモジュールは，外形寸法が400mm×400mm×90mm，容積が約14.4L，重さが25kgである。保護回路とセルの均等化回路を内蔵している。容量は240Whで，充放電の電圧範囲は144～72V。モジュールにはセルは36個のセルを搭載している。セルの静電容量は4000F。充放電の電圧範囲は3.8～2.2Vとなる。
現状のHEVでは，Ni水素2次電池やLiイオン2次電池を用いるが，電池が劣化しないように放電深度を40％程度に抑えている。そのため，実際の車両には，実使用量の2倍以上の容量の電池を搭載している。例えば，ホンダの「インサイト」には580WhのNi水素電池を搭載しているが，実使用量は232Wh程度となる。
これに対して，Liイオン・キャパシタを用いると，100％の放電深度で利用できることから，実使用量分のキャパシタを搭載すれば済む。さらに，実使用量が同じとなる容量を搭載した場合，Liイオン・キャパシタはNi水素2次電池やLiイオン2次電池よりも出力特性に優れるとしている。
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John Petersen
In 1789 Benjamin Franklin wrote "in this world nothing is certain but death and taxes." Today he probably would have written "in this world nothing is certain but death, taxes and rising oil prices." There's no escaping the misery, but astute investors who take the time to understand the fundamental trends can profit as the misery unfolds. For the short term, I'm convinced the biggest opportunities will be in fuel efficiency technologies for cars and light trucks.
After 20 years of complacent stagnation, the US started to get serious about light-duty vehicle fuel efficiency in 2005 and has made solid progress with improvements in the 14% to 18% range. The rate of change will ramp rapidly over the next five years as aggressive new CAFE standards that were adopted in April 2010 take effect. The following graph provides an at a glance summary of new light-duty vehicle fuel efficiency over the last 30 years and new fuel efficiency standards for the next five years.
In their 2010 adopting release for the new CAFE rules, the NHTSA and EPA identified three fuel efficiency technologies that would play crucial roles in automakers' efforts to meet the new standards (page 484):
Efficiency Technology Fuel Savings
Penetration
Gasoline direct fuel injection
4%
60%
Dual clutch transmissions
7%
55%
Stop-start idle elimination
8%
42%
The usual diversified group of first tier manufacturers of automobiles and component systems will control two of the three technologies. Only one, stop-start idle elimination, offers a pure-play opportunity with a certain outcome.
Stop-start is the most sensible fuel efficiency technology you can imagine – turn off the engine while the car is stopped in traffic. While the concept is simple, implementation is a beast because drivers typically want their sound systems, climate control, lights and other accessories to keep working when the engine is off. Therefore, the key enabling technology for start-stop systems is a better starter battery.
Traditionally, a battery had to start a car once during a normal trip. With a stop-start system, however, the battery has to start the engine an average of once per mile and carry critical accessory loads while the engine is off. For a one-minute engine-off cycle, the accessories will demand ten times as much energy as the starter. For a 15-mile commute with one engine-off cycle per mile, the battery will have to deliver 165 times the energy that it would in a car without stop-start. The battery load is immense, but an optimized stop-start system can slash fuel consumption in city driving by up to 15% and do it for an incremental capital investment in the $400 to $800 range.
The normal flooded lead-acid batteries we've used for decades simply can't stand up to the demands of stop-start systems. That reality has forced automakers to rely on cut-out systems that disable the stop-start function when the battery's state of charge falls below a minimum level, and won't re-enable the stop-start function until the battery recovers an acceptable state of charge. The result is stop-start systems that don't function anywhere near peak efficiency. To minimize problems, automakers are currently using dual battery systems and upgrading to absorbed glass mat, or AGM, batteries.
In recognition of the shortcomings of flooded batteries, the leading battery manufacturers are building new AGM battery production capacity at a blistering pace. In 2007, Johnson Controls (JCI), the world's biggest battery manufacturer, had global production capacity for 400,000 AGM batteries per year. Their announced expansion projects will boost that capacity to 11.2 million AGM batteries per year by 2014 and further expansions in the US are being discussed. Exide Technologies (XIDE) is also on an expansion spree that will boost its AGM battery capacity from 500,000 units in 2009 to 3.5 million units in 2013. On a worldwide basis, Lux Research forecasts that AGM battery demand will soar by 800% over the next five years, from three million units in 2010 to 27 million units in 2015. As they substitute higher margin AGM batteries for lower margin flooded batteries, the revenues and margins of leading battery manufacturers including JCI, Exide and to a lesser extent Enersys (ENS) will soar. Their stock prices will follow suit.
While AGM batteries are currently the best available technology for stop-start systems, they are far from ideal because their ability to recover an optimal state of charge deteriorates rapidly as the battery ages. Using simulation protocols from BMW and Ford, researchers have learned that the time required for an AGM battery to recover from an engine-off event increases from 50 to 60 seconds with a new battery to 4 or 5 minutes with a battery that's been in service for six months. The bottom line is automakers need a better solution than AGM batteries. Until a better solution comes along, however, the AGM battery will reign supreme as the battery of choice for the stop-start market.
The two principal contenders for "better solution" honors are:
A multi-component system from Continental AG and Maxwell Technologies (MXWL) that combines an AGM battery, a small supercapacitor module and associated control electronics in a system that eliminates the voltage drops and black screens that commonly occur when the starter engages at the end of an engine-off cycle; and
The third generation lead-carbon battery from Axion Power International (AXPW.OB) that replaces the lead-based negative electrode in a conventional AGM battery with a carbon electrode assembly that boosts cycle life by 400% and provides consistent charge recovery times of about 35 seconds through four years of simulated use.
The Maxwell - Continental system is available now and was recently selected by PSA Peugeot Citroën for use in Citroën C4 and C5 diesels featuring PSA's e-HDi second generation micro hybrid system. With an estimated three-year value in the $50 million range, this design win should provide a significant boost for Maxwell's top-line revenue. Despite its advantages, however, the Maxwell - Continental system is not an ideal solution because the supercapacitor can slow but it can't stop the deterioration of the AGM battery it's paired with. So over time, vehicles equipped with the Maxwell-Continental system will suffer the same kind of performance degradation that all other stop-start systems exhibit.
The most promising solution to the challenges of stop-start, the PbC® battery from Axion, is in the final development stages and won't be ready for a large-scale commercial rollout until 2012. Axion is currently installing a second-generation fabrication line for their serially patented carbon electrode assemblies and potential customers should begin validation testing on the new fabrication processes and equipment soon. Once its potential customers validate the fabrication process, the last major step will be to build additional electrode fabrication capacity so that Axion can manufacture PbC batteries on its own AGM battery line and sell electrode assemblies to other AGM manufacturers. Since the PbC electrodes are designed to work as plug-and-play replacements for traditional lead-based electrodes, Axion should be uniquely positioned to leverage existing AGM battery manufacturing capacity while giving other battery manufacturers the opportunity to sell a premium product to their existing customers.
While the PbC battery is still a development stage technology and Axion is just barely out of the nano-cap range with a $60 million market capitalization, its roster of disclosed industry relationships is extraordinary. Axion has longstanding relationships with both East Penn Manufacturing and Exide, the second and third largest AGM battery manufacturers in North America; it has a service contract to develop a battery management system for Norfolk Southern (NS) which wants to retrofit a portion of its 3,500 unit locomotive fleet with hybrid drive; and the PbC battery has demonstrated exceptional performance during 18 months of testing by BMW, the industry leader in stop-start with over a million EfficientDynamics vehicles on the road today. In over 30 years as a small company securities lawyer, I've never seen another company that was able to generate a comparable level of interest and involvement from the giants in its industry.
The energy storage sector offers a wide range of fuel efficiency pure plays. The following table provides summary data on key financial (in millions) and market metrics that I consider important. While JCI is not technically an energy storage pure play because of its diversified operations in auto parts and building efficiency, I've included it in this list because 14.6% of its revenues and 52.5% its earnings are derived from battery manufacturing operations.
While I closely follow the energy storage and vehicle electrification sectors and am convinced that every manufacturer who can bring a cost-effective product to market will have more demand than it can handle, these five companies have the clearest paths to market beating growth over the next five years and are my favorites for that reason. JCI, Enersys, Exide and Maxwell have been stellar performers since December 31, 2008 with market crushing gains of 126% to 264%. Axion has been the laggard of the group, losing 39% of its market value it raised new capital in a brutal market and worked to complete the development of its promising PbC technology and start climbing out of the valley of death. For the next few years, I expect the entire group to outperform the market by a wide margin because the die is already cast.
Fuel efficiency has been a hot topic in the automotive world for the last five years and new regulations in the US and EU will provide a massive impetus for immediate change. Increasing political turmoil in oil producing regions can only add to the sense of urgency. There is a wide variety of potential long-term solutions, but short-term solutions to immediate problems are very limited. For the next five years, stop-start will be at or near the top of the list.
Disclosure: Author is a former director of Axion Power International (AXPW.OB) and holds a substantial long position in its common stock.
Just One Sector – Fuel Efficiency Pure Plays was posted on AltEnergyStocks.com.
Posted by John Petersen on February 23, 2011 05:43 AM | Just One Sector – Fuel Efficiency Pure Plays
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Wednesday 2011-02-23 15:56
February 23 – Shenzhen Capchem Technology (300037) recorded a 56.2 percent year-on-year rise in 2010 net profit to 93.93 million yuan, reports p5w.net, citing a company filing.
Sales revenue rose 49.7 percent year-on-year to 477 million yuan while earnings per share (EPS) surged 17.33 percent to 0.88 yuan.
The company capitalized on the recovery of the economy and booming demand for its downstream products, leading to rapid rise in sales of aluminum electrolysis capacitor chemical products and lithium ion batteries.
The company’s new business of solid macromolecule capacitor chemical products and super capacitor electrolytes also pushed sales up.
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Nanotechnology News
Current supercapacitor technology is too expensive, costing about 0.5c/F ($1.28/kJ) ... A supercapacitor is a galvanic cell, where the aluminum (Al) current ...
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[2011/02/24]
蓄電池産業はかつてないほどの試練とチャンスを迎えている。これまでの蓄電池は、電子機器の小型軽量化を実現するための補完的な役割に過ぎなかった。電気自動車（EV）では、電池が性能やコストに直接かかわる中心的な存在となる。そこで蓄電池に求められるレベルは、数量、コスト、技術のすべて面で従来とはケタ違いのものとなる。電池メーカーにとって超えるべきハードルは高いが、それをクリアすることで定置用などEV以外への応用展開も容易となり、大規模な成長市場の恩恵が受けられる。
1台のEVで携帯電話7000個分
EVが求めるのは、第1に“数量”である。電池の搭載容量で比較すると、1台のEVに搭載する電池は携帯電話機の電池の約7000個分に相当する。また自動車電池セルは、ノート・パソコン（PC）などに使われる汎用の「18650型」電池セルと比較すると10～20倍の容量がある。日産自動車が2012年に計画する「50万台」の電池生産体制は、現在の「18650型」の世界出荷量全体（6GWh）の2倍の規模（12GWh）に相当する。世界の主要8社の生産計画を合わせると、2011年ですでに6GWhを超え、2015年にはその約8倍の47GWhに達する（図1）。主要8社が占めるシェアを約80％とすると2015年の世界市場は60GWhとなり、現在の「18650型」の10倍、EV換算で300万台分となる。
電池メーカーはこれだけの規模を視野に入れて投資をしないとコスト競争力で勝てない。1工場当たりの投資額もかつては数十億円程度だったのが数百億円、場合によっては数千億円に膨らみ、その投資判断をするだけの顧客をつかまなければならない。
図１ 主要8社の自動車用電池生産量
「2015年に蓄電池業界はこうなる～10の視点で蓄電池の将来を予測～」（発行：日経BPクリーンテック研究所、調査：テクノアソシエーツ）から引用。
Wh当たりで鉛蓄電池と同等に
第2に、“コスト”である。BMS（battery management system）を含む自動車用電池システムの目標値は「20円/Wh」である。これを実現すれば普通乗用車のEV（20kWh搭載）で現在のハイブリッド車（HEV）並みとなる200万円前後の価格設定が可能になる。汎用の「18650型」はBMSを含まない電池セルのみで、1994年の300円/Whから2008年には22円/Whと、年率で17％のコストダウンを実現してきた。低コスト化で先行する電池メーカーは、BMS込みの自動車用電池で、2010年の時点で50円/Whを達成していると見られる。2015年には「20円/Wh」も射程に入り、これは「18650型」と同じ17％のペースのコストダウンとなる（図2）。これを達成することにより、2015年でLiイオン電池の大型蓄電池システムはPb（鉛）蓄電池と同等のコストとなる。
図２ 主要各社の自動車用電池のコスト推移
「2015年に蓄電池業界はこうなる～10の視点で蓄電池の将来を予測～」（発行：日経BPクリーンテック研究所、調査：テクノアソシエーツ）から引用。
性能と安全性のバランスを確保
第3に、“技術”である。まずEVは使用環境が厳しい。使用温度範囲は、民生機器が0～40℃に対し、EVは－30℃～＋60℃（自動車内部）と広く、それを電池に適正な＋15℃～＋45℃に収めるような熱設計が求められる。さらに、EVでは継続的な振動にさらされる。このため、振動に伴う接続不良が生じないような構造設計が必要となる。
さらに性能と安全性の両立である。EVでは電池容量が大きいほど航続距離が長くなるため、エネルギー密度（重量または体積当たりの容量）が高いほど良い。しかし、一般的に電池はエネルギー密度が高くなるほど安全性が低下する傾向がある。特にEVは1台に搭載する容量が大きいため、安全対策の優先度は高い。このため、電池開発では民生機器の場合はエネルギー密度優先だったが、EVではエネルギー密度と安全性のバランスをとらなければならないといった違いがある。
また、EVは電池寿命に対する要求も高い。民生機器用は「3年」の寿命でカバーできるが、EVは「10年」と3倍以上の開きがある。このため、電池セルとBMSの両方の技術革新が求められる。電池セルでは劣化が少ない材料の選択が必須となる。BMSでは電池セルごとに充放電管理をすることから、大量の電池セルを使うEVではコストが上昇しやすい。このため、制御回路の簡素化や、部品の共通化などの工夫が重要となる。
テクノアソシエーツは、EVの動向を踏まえた蓄電池の市場、コスト、技術に関連する10の論点を抽出、2015年までに起こる蓄電池業界のトレンドを予測し、調査レポート「2015年に蓄電池業界はこうなる」（発行：日経BPクリーンテック研究所）としてまとめた。そこからは、各メーカーのグローバル競争の行方が予想できるだけでなく、蓄電池業界で今後取り組むべき様々な課題が見えてくる。
（テクノアソシエーツ 朝倉博史）
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図1 開発したスーパーキャパシタの外観
電気二重層キャパシタ(もしくはスーパーキャパシタ)は、高出力と長寿命を併せ持ち、ボータブル機器からハイブリッド電気自動車まで幅広く応用されるようになってきている。スーパーキャパシタは高電力供給元ではあるが、それらのエネルギー密度は従来の電池や多くのアプリケーションで必要とされる値には届いておらず、例えば、従来のスーパーキャパシタの貯蔵エネルギー密度は約100F/cm3(もしくは150F/g)程度であった。これは、マンガン酸化物(MnO2)のような擬似容量金属酸化物をスーパーキャパシタ中の電極として使うことが有効である一方、MnO2の電気伝導性の悪さ(10-5-10-6S cm-1)がネックとなり、十分な性能を発揮できなかったためである。
研究グループでは、高性能スーパーキャパシタへの応用のため、新規ナノポーラス金属/酸化物(Au/MnO2)ハイブリッド電極材料を開発。同ハイブリッド材料は、独立した3次元ナノポーラス金薄膜にナノ結晶MnO2を無電解めっきして得たもので、MnO2の電析量(厚さ)はめっき時間で制御することが可能となっている。
図2の(a)に記されたナノポーラス金/MnO2ハイブリッド薄膜の典型的な透過電子顕微鏡像を見ると、ナノ結晶MnO2が一様にナノポーラス上にめっきされていることがわかる。
図2 ナノポーラス金属/酸化物(Au/MnO2)ハイブリッド電極材料の。(a)透過電子顕微鏡像、(b)走査型透過電子顕微鏡像、(c)スーパーキャパシタの構成図
また、Au/MnO2界面の走査型透過電子顕微鏡像では、ナノ結晶MnO2が金のリガメントにエピタキシャル成長している様子が観察され、化学結合した金属/酸化物界面が形成されていることがわかる。
ナノ結晶MnO2と金の良好な密着により、このハイブリッド材料の電気伝導性は改善され、電気化学測定により、このハイブリッド電極材料は1160F/cm3(601F/g)の電力・エネルギー密度、および繰り返し使用に対する高い安定性を有していることが判明した。
これにより、開発したハイブリッド材料が、その高比容量と高充放電率から、高エネルギー貯蔵密度と高度な電力供給を併せ持つ次世代のスーパーキャパシタの候補になることが期待できると研究グループでは指摘しており、今後は貴金属である金をナノポーラス銅のような安価な材料で置き換え、安価かつ高性能なスーパーキャパシタの開発に取り組む予定としている。
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＜研究に関すること問い合わせ先＞
陳 明偉（チン ミンウェイ）
東北大学原子分子材料科学高等研究機構・教授
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２-１-１
Tel：022-217-5992 Fax：022-217-5955
秘書室022-217-5959
E-mail：mwchen@wpi-aimr.tohoku.ac.jp
http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/chen_labo/
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