堀江英明

二次電池の社会財化に向けての考え方

東京大学人工物工学研究センター

2010.2.22@東京大学 山上会館

次世代の２次エネルギーの供給源として電池は有望視されている。従来の低容量用途の電池に代わって高容量の電池には、環境負荷軽減等の多くの利点を有しているが、初期導入コストが著しく高いことが普及の妨げとなっている。そこで本研究では、社会資本としての電池、特に充電が可能な２次電池を対象として、早期普及を目指し、電池購買者のみが電池の初期コストを負担するのではなく、電池購入者は利用料を支払うことで初期費用を軽減できる社会システムの設計を行う。具体的には電池が有望と思われる適用分野と市場規模を推定し、二次利用を視野に入れて金融的な手法を取り込むことで電池を社会資本とし早期普及実現へ向けた研究を進める。

EV or Plug-In HEV

従来の考え方

全て利用者(購入者)負担

新しいコンセプト

現行ｶﾞｿﾘﾝ自動車の2倍以上の価格

利用者は電池以外を負担

現行ｶﾞｿﾘﾝ自動車と同等価格

Battery Battery

Battery

組織体の所有金融商品化 リユース

都市

電池を社会の閉ループ構造に入れ、資源・社会財の観点からより長期的に利用を図る

EV or Plug-In HEV

電池の社会資本化に関する研究

電池をEVから切り離し、社会システムに取り込むことで、大型電池の生涯を通じた閉じたフローシステムを構築する。これは電池リサイクル/リユースあるいは長期資源確保の観点からも極めて有利と考えられる。この将来効果を定量的に研究する。

電池の閉ﾌﾛｰｼｽﾃﾑ構築による資源確保・環境負荷低減の研究

2008.6.25 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池のビジネスモデル』 @東大弥生講堂

電池が長寿命化するならば、EV利用の後も、一般利用に長期的に供し得ると考えられる。例えば電力平準化などのリユースを介して、潜在的に大きな価値を生じ、EV導入時の高コスト問題の解決策となる可能性がある。また電池債権化に向けた一つの前提は、電池の経済的価値を常に正確に把握できることであって、①電池寿命予測と最適化の条件②標準寿命計測法③必要十分な電池状態収集システムの構築（ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ、ﾜｲﾔﾚｽｼｽﾃﾑ、ﾌﾗｯｼｭﾒﾓﾘ他）④透明性の高い個々の電池データ保存/管理の確立

が求められる。

電池ライフの評価手法の開発

Changes in the Inner Resistance and Capacity

in the Tino Hybrid for Durability Tests

単電池と組電池での耐久による容量劣化の実験結果（ Pb-Acid ）

Cell Controller Configuration

Cell Voltage Compensation Result

EV・HEVでのシステム構築例

2008.6.25 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池のビジネスモデル』 @東大弥生講堂

Data Center for Batteries

二次電池 リユース

電池が超長寿命化するなら、EV利用後も、エネルギー貯蔵に長期的に供し得ると期待される。EV導入時コスト低減と同時に、地域・都市に埋め込まれたこれら電池群は、将来的に、「エネルギーのハブ」としての機能が、形作られる。

The Internet The Internet

二次電池

二次電池

電池二次利用像：自然環境・風土との共生

[1] 電池の置き換えｻﾎﾟｰﾄｼｽﾃﾑ[2] 電池の二次利用形態家庭（ｵｰﾙ電化？）・建物への設置太陽電池平準化風力発電平準化系統への接続 太陽電池

風力発電

自然ｴﾈﾙｷﾞｰの最大活用

地域・都市のｴﾈﾙｷﾞｰ最適化

二次電池

地域・都市

風力発電、太陽発電の自然エネルギーと二次電池の協調を図り、最終的に、沖縄の『自然環境・風土との未来永劫の共生』を狙う

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『沖縄プロジェクト』 @東大弥生講堂

電池作動の原理正極 負極

Li+電解液

(イオン伝導)

負荷

e-

導線 (電子伝導)

リチウムイオン電池の特徴

①極めて高い出力密度の可能性②Liｲｵﾝ系の長寿命への期待③ｼｽﾃﾑﾛﾊﾞｽﾄ性（coherent）

Li系の長寿命SOC変化での電圧変位熱的安定性

正負極結晶構造へのｲﾝﾀｰｶﾚｰｼｮﾝに基づく電池系⇒小さな体積変化

ﾘﾁｳﾑｲｵﾝ吸蔵可能な様々な新規材料への期待

リチウムイオン電池の優位性

電極反応のシミュレーション

(i) Lithium-ion Transport Model

Negative electrode

PositiveelectrodeSeparator

Load

Lithium-ion concentration

・Equation for lithium-ion transport in active materials

Along the electrode thickness (x-axis)

・Equation for lithium-ion transport in electrolyte

∂Ｃs

∂ｔ＝Ｄs∇ｒ

2・Ｃs (one dimension in the radial direction)

∂Ｃe

∂ｔε ＝ εＤｅ∇x

2・Ｃe＋（1-ｔ+）

Ｆａ ｉｎ

(one dimension along the electrode thickness)

Φs

Φe Φe

Φs

Load

Reactionresistance

Electrolyte resistance

Conduction agent resistance

Current

Negative electrode

PositiveelectrodeSeparator

(ii) Current Transfer Equation

・Equation for current transfer in electrolyte

・Equation for current transfer in active materials

σs∇x2・Φs －ａｉｎ＝0

σｅ∇x2・Φｅ ＋ａｉｎ－σｅ∇x

2・（lnＣe）・2RT(1-t)＝0

η＝Φs－Φｅ－Ｕ（Ｃs）

ｉn＝k Ｃeαa (Ｃt－Ｃs) αa Ｃsαc ｛exp(αF/RT*η)－exp(－αF/RT*η)｝

Along the electrode thickness (x-axis)

(one dimension along the electrode thickness)

(one dimension along the electrode thickness)

<<Equations governing lithium-ion transport in a cell>>T. Abe et al. “Simulation of a High-Power Lithium-ion Battery” (ECS 2001 Joint International Meeting –San Francisco, California)

例：電池性能のシミュレーション

リチウムイオン電池の性能予測・設計はシミュレーションを用いて行うことができる

エネルギー密度と出力密度の関係

エネルギー密度

要求最大出力

EV 電池（初期）

HEV電池

プラグインHEV 電池

10C１C0.1C

EV 電池（劣化後）

EV用電池は初期出力が大変高く、EV使用（劣化）後でも、ﾛｰﾄﾞﾚﾍﾞﾘﾝｸﾞ他用途に

関し性能的には新品同様と捉えられ、もし長期的に耐えるシステムが構築可能なら、リユースへの途が拓かれる

ﾛｰﾄﾞﾚﾍﾞﾘﾝｸﾞ用ﾘﾆｭｰﾜﾌﾞﾙｴﾈﾙｷﾞｰ貯蔵用

自動車（移動体）On Site

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池の性能と拡がり』 @東大弥生講堂

超長寿命電池への期待？

正負極結晶構造へのインターカレーションに基づく電池系

リチウムイオン電池の長寿命の可能性【仮説】リチウムイオン電池は、潜在的に極めて長い寿命特性を有するのでは無いか

リチウムイオン電池系

従来（水溶液）電池系

劣化機構

小さな体積変化

反応機構の特色

①化学変化による劣化

正負極で化学反応による電子授受が行われるため、電極表面上でイオンと電子が結合し構造化してゆく。

大きな体積変化

①化学変化による劣化

②構造変化による機械的劣化（突然の電池機能不全？）

初期は劣化が早いが、その後劣化は抑制 （劣化も化学反応とするなら、劣化反応も停止？）

電池系

電極

正極 負極

Li+電解液

(イオン伝導)

e-

導線 (電子伝導)

負荷

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池の性能と拡がり』 @東大弥生講堂

電気利用でのコスト低減(1)EV走行による、ガソリン代と電費の差額 ⇒ 走行距離が増えるほど増加

Fuel C

ost R

edu

ction

(Yen)

Year

30km/day365days/year

8 yen/km @ gasoline ICEV

1.5 yen/km @ EV

1万km走行すると、約7万円程度燃料代が軽減される

EV（移動体）利用

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池の性能と拡がり』 @東大弥生講堂

EV用電池の寿命がもつならば、EV使用後更にOn Site 利用への途が拓かれる

電池劣化関数

80% usage10kWh 14 yen/Wh ( = 23-9 : night-time electricity )

10年後からスタート

Co

st Red

uctio

n th

rou

gh

Load

-leveling (Yen

)Year

電気利用でのコスト低減(2)：

10

【参考】 Trend of rechargeable batteries for electric vehicles Masatomo YONEZAWA and Chika AMEMIYAOYO BUTURI, Vol.72, No7, p.0878-0881 (2003)

初期10kWh電池で、約30万円（ @10年間）の電気代低減を期待(夜間電力利用)

On Site 利用

『超長寿命電池ｼｽﾃﾑ』が実現するなら、大きな利潤を長期に渡って生む可能あり

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池の性能と拡がり』 @東大弥生講堂

EV用高性能電池劣化の考え方

初期容量

劣化後容量

システム作動下限電圧

電池電圧

電池容量

EV電池では、（内部抵抗増大等により）最大出力が出せなくなる時点が、放電終止となる

システム作動のための電圧を維持できなくなった時が放電末期

内部抵抗増大による劣化

EV等移動体用の電池では、平均出力と最大出力の差は一般的に大きく、利用中は最大出力を常に出せることが要求される。

2008.11.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ『二次電池の性能と拡がり』 @東大弥生講堂

組電池におけるセル劣化促進メカニズム

容量は均一

容量が均一でない場合

図：大型バッテリーシミュレーター（1991～）

組電池充放電装置仕様

直流 10A～400A

制御方法

電流電圧出力

パターン移行条件

時間/サイクル数電流/電圧/出力

許容誤差電流：+/- 0.2%F.S.電圧：+/- 0.2%F.S.出力：+/- 0.5%F.S.

データ取得用コンピューター

シミュレーター制御用コンピューター

シミュレーター本体

組電池における寿命評価装置（シミュレーター）

8 ch AD Converter

for Voltage

Isolation Amp

Battery Pack

8 ch

Temp.Sensor

AD Converter

for Temperature

Amp

Total 104 ch (8ch x 13 module)

Total 104 ch (8ch x 13 module)

Voltage Line

CPU

Data Bus ( 1248bit per sec

/ 1 event data -taking per sec )

CPU

Voltage Data Aquisition

Data Bus ( 1040bit per sec

/ 1 event data -taking per sec )

Temperature Data Aquisition

(1ch data = 12bit

= 4096 ) (1ch data = 10bit

= 1024 )

図：データ取得システム（1992～）

組電池における寿命評価装置（ﾃﾞｰﾀ取得ｼｽﾃﾑ）

組電池

単電池

0 200 400 600 800

サイクル数

100

80

60

40

20

0

容量維持率

(%)

組電池

単電池

0 20 40 60 80 100 120

SOC（%）

160

150

140

130

120

組電池電圧

(V)

80 90 100 110 120

SOC（%）

モジュール電圧

(V)

16

15

14

13

12

水溶液系電池（鉛酸）の組電池性能評価例

容量維持率 組電池電圧 モジュール電圧

図：劣化のシミュレーション

組電池の内部

容量減尐

内部抵抗増加

放電時の過放電

充電時の過充電

劣化した電池通常の電池群

100

80

60

40

20

0

サイクル 多

容量維持率

(%)

組電池劣化シミュレーション（水溶液系電池）の例

Length 4770mm

Width 1765mm

Height 1680mm

Weight 1730kg

Max. Passengers 5 persons

Mileage (10-15 Japan Driving

Mode)

230km

Max. Speed 120km/h

Max. Slope (tanθ) 0.38

Min. Driving Radius 5.4m

Motor Type Syncronized AC

Max. Motor Output /

Rated Voltage

62kW / 345V

Max. Motor Torque 159Nm

Battery Type Lithium-ion battery

Module Voltage / 28.8V・94Ah

Module Number /

Cell Number

12 / 96

Charging Time 5Hr

Layout of EV units Specifications

リチウムイオン電池を搭載したEV例(1997)

a Battery Pack(12 modules / 96 cells )

図サイクル寿命特性 図サイクル中の組電池偏差

単電池性能 組電池性能

EV用リチウムイオン電池の耐久実験例

1996年日本自動車技術会春季講演会 堀江他

600

400

200

0

18

65

0ベアセル価格（

¥/W

h）

92 94 96 98 2000 02 04 06 08

リチウムイオン電池価格の推移（小型円筒形18650ベアセル）

吉野彰先生 『Liイオン2次電池の課題と将来展望』主催 : 電子ｼﾞｬｰﾅﾙ Electronic Journal 228th Technical Symposium2009冬 Liイオン2次電池徹底検証講演予稿集（2009. 12.17）

¥22.5/Wh

リチウムイオン電池の価格は小型民生用で大きく低下してきた

Price 容量：Wh

信頼性：Reliability

寿命：Life

電池の価値基準は？

社会財化モデル

社会資本化による二次電池の普及促進ビジネス

公共交通

自家用車物流

産業用オフィス用

住宅用

二次電池社会資本化

• Li-ion電池の長期利用による低価格実現

– Li-ion電池を2次・3次利用により長期利用前提とし利用料低価格化

• 貸出方式により電池資産リスクを二次電池利用事業から分離

– 「Li-ion電池自体の資産減損リスク」と「電池利用の事業リスク」の分離

– 電池利用事業は事業リスクへ集中可能

二次電池資産会社

1次ユーザ

2次ユーザ

3次ユーザ

<二次電池普及のためのビジネスモデル概念図>

自動車用バッテリー

IT用電源管理

オフィス不動産用電源管理

二次電池Unitの貸出・返却リモートモニタリング管理

・・事業会社

資産会社

沖縄、日本、シンガポール、米国・・・・・・・など地域展開する

注）順番に意味はありません

リモートモニタリング

認証

•Li-ion資産の資金調達を一元化

•電池資産状況を公的に格付け

<社会資本化コンセプト>

2009.2.18 二次電池による社会ｼｽﾃﾑ・ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝ・ﾌｫｰﾗﾑ田中謙司 『二次電池の社会財化ビジネスモデルと規模』 @東大弥生講堂

都市

電力網（パワー）

電池社会財化にむけた情報のインフラ作り

電池情報の取り入れ口

（情報）

インターネット網

一般的に電池の評価には壮大な時間と費用がかかるが、通常の使用時の電池状態情報をそのまま引き出して利用できるなら、極めて低コストでかつ統計的に信用度の高い情報が得られると期待される。

Battery State Evaluation System

EVEV

Wind turbines

Photovoltaic

Data centers

Buildings

Houses

Applications Battery state detectors Battery analysis

H.Horie, 2010.2.22

Smart Grids

Data accumulation

[1] 電池状態計測

ｼｽﾃﾑ（取り入れ口）

> 状態検出回路> 演算回路, I/O

server

server

server

server

server

server

Battery data accumulation

Data accumulation

[2] 蓄積ﾃﾞｰﾀ形式 [3] Software

developments

Circuits for EVs/HEVs

電池情報を流通させるネットワークインフラを創出する

二次電池社会システム研究会

評価方法 （以下、全て併存を許す）データ状態計測システムデータ形式キャリブレーション手法

【推奨案の提示】

取得データの信頼性解析& 信頼性最大化の技術構築異なる電池データを同じ物指しで活用するための技術体系化

【目的】

公的な認証機能世界に対し、電池データ共通化・相互利用に向けた流れを先導

【将来】