3日目 電気自動車の電池について


今日の講義は電池についてであった。内容は以下のとおりである。
1)最近の電気自動車
2)電気自動車のエネルギー源:電池
3)電池の基礎
4)電気自動車用リチウム・マンガンバッテリー

  1. 最近の電気自動車
    東京電力が富士重工業のR1の電気自動車版を3000台導入の予定で、最初の10台は今年6月にすでに納入されている。この車体はエンジン搭載のR1にインバータやモーターを載せたもので、電源はリチウムイオン2次電池を搭載している。2次とは充電可能という意味で、1次は充電不可の電池である。電池は96個を直列につなぎ346vとなっている。電池の容量は9.2kWhで、最大出力は40kWである。最高速度は100km、電源は家庭用100vを使用する。急速充電をすると80%までは15分で可能となっている。使われている電池は15−20Cの急速充電が可能で1Cとは1時間で可能という意味であり、20Cはその20分の1で充電可能という意味で3分となる。

    電気自動車ランサーエボリューションMiEVなどの説明があったが、割愛する。
  2. 電気自動車のエネルギー源:電池
    電気自動車はエネルギー効率が高いということを第1回目の講義で学んだが、電気自動車の総合的な効率は30−40%程度、一方ガソリン自動者は14%程度となっている。ちなみに電気自動車のデメリットのひとつに室内の冷暖房の問題があったが、リチウム電池からの発熱などは暖房に利用できるかもしれない。走行の燃費もガソリン車に比べて10倍以上あることも前の講義で述べられたとおりである。

    電池の選択に関して言えば、鉛2次電池とリチウム電池を比較すると、リチウムは約質量エネルギー密度110Wh/kgで鉛の2.75倍、体積エネルギー密度は約160Wh/Lで2.3倍となっている。いずれにせよ、電池を電気自動車に適用する際に、やはり電池の低コスト化が課題となっている。
  3. 電池の基礎
    新しい話題として、電池が最初に作られたのバクダッドで、鉄の棒を銅の筒の中にいれて、果汁を入れて電気を発生させていたらしいとのことであった。その用途は飾り物のめっきに使われていたらしい。現在の電池の始まりは電圧の単位ともなっているボルトによるボルタ電池である。ボルタ電池の電気発生のメカニズムはマイナス極の亜鉛板とプラス極の銅板があり双方の電極は希硫酸の電解液の中に漬かっている。このような環境でプラスの亜鉛イオンが溶け出すと、亜鉛板に残されたマイナス電子が線で結ばれた銅板に流れる。電気は2回目の講義で教えられたようにイオンの移動と反対方向に流れる。銅板に到着したマイナス電子は銅板の表面で電解液の中のプラスの水素イオンと結合して水素を発生する。水素が銅板を取り囲んで極としての働きが出来なくなることを分極という。この点に改良を加えたのがダニエル電池である。簡単に言えば銅板のある電極を素焼きの仕切りでさえぎり異なる電解液をいれて、水素を発生する結合を阻止して分極を防いでいる。

    その後幾多の改良があって、電解液を液体からペースト状にしたガスナー乾電池へと改良されていった。またガスナーより早く乾電池を開発した日本人屋井先蔵は特許申請をしなかったので、世界初とは認められなかったは、日本人としてまことに残念であった。

    放電と充電の仕組みは、電解液の種類によりいろいろな結合の結果電気が流れるが、基本的には最初のバクダッド電池とおなじである。充電の場合はまったく逆の反応が起こり、たとえば溶け出たマイナスのたとえば硫酸鉛が鉛にもどり、プラス極の生成された物質は元の物質に戻る。

    電池の性能に関する現象として、イオン化傾向の大きな電極がマイナス極になり、イオン化傾向が強いほど(あるいはプラス極とのイオン化の差が大きい程)大きな電圧を生み出します。電流は溶出する金属イオンの電荷の量により決まってくる。電池の電解液と異なる2種の金属の極の組み合わせにより化学電池を作成することが出来る。
    1. 電池の規格
      各国それぞれ異なる表記を用いている。また日本国内では使用部材により記号や数値を宛てている、たとえばリチウムの場合IC,ニッケル水素の場合Hなどなど、一次電池のアルカリはLなどと決められている。
    2. 電池の放電特性
      マンガンは時間の経過に概ね直線的に放電し、電圧を失ってゆき、アルカリは最初一定の電圧を維持し、突然電圧が低下する。リチウムは電圧の降下がなだらかで持続時間が長い。
  4. 電気自動車用リチウム・マンガンバッテリー
    3回の講義で浮かび上がってきたことは今後自動車用バッテリーの主流派リチウム系の電池になるであろうということであった。余談になると思われるが、海水を用いた電池とか、電極が金属でない電池、燃料電池、キャパシターの利用などの説明があり、非常に興味深く聞くことが出来た。また過ってエジソンが作った鉄を持ちいた電池など資源が豊富なだけに活用が可能であれば面白い電池となると思われる。
    1. リチウム電池の種類
      1)二酸化マンガンリチウム電池
      2)フッ化黒鉛リチウム電池
      3)酸化銅リチウム電池
      4)塩化チオニルリチウム電池
      5)二酸化硫黄リチウム電池
    2. リチウム電池の特徴
      この電池はプラス極にリチウムを含む酸化物、マイナス極に黒鉛をもちいています。リチウムは高いエネルギー密度とメモリー効果がないことが特徴で、現在考えられるマイナス極活物質の中でもっともエネルギー密度が高い金属である。したがってもっとも容量の大きな電池を作ることが出来る。最近リチウム電池の発火事故が起きて、回収に追われているなどの記事が新聞に掲載されたことがある。この現象は充電時に特定の場所に樹枝上に金属が積み重なる傾向があり、これが原因で絶縁が破れて発火するようである。詳細を聞き逃したので、想定を交えて記載した。
    3. 電池の寿命
      2次電池は容量が半分になるまで何回充電できるかで表せる寿命がある。これをサイクル寿命と呼ぶ。通常の鉛電池の繰り返し数が2000回程度、リチウム電池の場合10,000回(公称)なので、10年程度の使用が可能と考えられている。
  5. 次回の講義は実験
    講義内容が各回異なる先生によって行われているので、重複する場合もあったが、複数の講師の方のお話が聞けたので、電気自動車の今後はどのようなものかおぼろげながら輪郭をつかむことが出来た。次回からは実験や作業となるようなので、楽しみである。

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