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東芝が水系Li電池世界初開発 発火し難く軍用普及に期待

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〇リチューム電池の特性


 それまでの電池には欠点は多かったが、リチウムイオン電池の出現は電池の利用に大きな転機となった。あくまでも比較の上ではあるが、鉛電池やニッカド電池に比べれば大きなエネルギー密度と充電時間の短縮が図られたからである。他にメモリー効果が低いことも挙げられる。電極において化学変化を要しないため寿命も長い。
 リチウム・イオン電池の仕組みについては、下のサイトが詳しいので、説明はそちらに譲る。
「リチウムイオン電池の仕組みとは?」
https://www.youtube.com/watch?v=LSR9ooWaUNQ
 このように優れたリチウム・イオン電池ではあるが、依然として欠点も多い。充放電の制御が難しく電池に制御回路を必要とすることや、リチウムの資源の偏在性などがある。
 そのいくつかの欠点の中でも、一番問題となったのは火災である。
 火災の原因は、電解液に可燃性の有機溶剤を用いているためである。他の電池に使われる水を基材とした電解液では、リチウム・イオン電池が発生する高い電圧により水素と酸素に電気分解してしまうからである。
 さらにリチウムが結晶化して針状になり、セパレータを突き破り短絡して発火することも指摘されている。
 有機溶剤であるから、何かの切っ掛けがあれば破裂や発火につながり易い。電極に使用されている黒鉛も一度火が付くと消火が難しく、そもそもリチウムも空気中で激しく燃え、水をかけると水素を激しく噴き出す性質がある。
 実際に事故の報告が多数ある。破損すればどのようになるかは、下の映像が示すとおりである。
「リチウムイオン電池の実験映像」
https://www.youtube.com/watch?v=KlTAG9GSnrs

〇発火し難い電源と軍用装備への普及


 実際にリチウム・イオン電池が火災を生じた例は多い。もちろん火災を起こさないようには作られているが、破損すれば発火は避けえないものである。
 一般での使用においてすら電気自動車が事故を起こした場合などが懸念されているのであるから、、戦場での使用となれば、被弾は付き物であるし、周囲には弾薬や燃料などがある。
 従来、深絞塑性加工の一体構造からなる金属製容器で包装したり、今では火災を起こしにくい固体電解質などが研究されている。しかし依然として危険性は残っていた。
 今回、開発された水系の電解質は、これを根本的に解決するものである。
 現在、これに対する一つの回答として、電解質を固体化することが行われている。固体電解質には発火に対する以外にも高い電荷移動量が期待できるなどの利点もあるのであるが、材質によっては硫化性のものなど、やはり燃える可能性が指摘されているものもある。おそらく水性電解質と、それぞれの特徴を活かした使い分けがされるのかもしれない。まだ、どちらが優位性があるかは答えは出ていない。
 一つの全固体電池の例として、村田製作所の開発例を紹介しておく。
「モノづくりスペシャリストのための情報ポータル 村田製作所は全固体電池を2020年度中に量産へ、リチウムイオン電池も高出力化」
https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/2010/19/news042.html
 参考として、全固体電池の説明記事も引用しておく。
日経ビジネス「実用化目前! 全固体電池はそんなにすごいのか?」
https://business.nikkei.com/atcl/seminar/19/00113/00005/?P=4
 リチウムイオン電池に対して競合する電力源として、マイクロタービンと燃料電池がある。互いに一長一短があるが、これ等はむしろ短所を補いつつ相互に特性を活かすことが、可能と考えられる。
 リチウムイオン電池については、現時点で数倍程度のエネルギー密度を向上策が考えられているが、やはり化学燃料には敵わない。反面、ガスタービンなどの内燃機関は、換気の必要により使いにくい面がある。電池は急な需要量への対応にも制約があるが内燃機関は対応できる幅に余裕がある。
 思うに、水性リチウムイオン電池とマイクロガスタービンなどを組み合わせ、さらに負荷変動対応用に電気二重層キャパシタと、スイッチングレギュレータを組み合わせれば、軽量で安定供給が可能な電源が可能になると思う。
 ガスタービンは、定圧力定常燃焼によるプレインサイクルであるため、燃焼条件が広く、燃料の多様性に優れ比較的引火性の低い燃料も使用可能であり、水性リチウム電池と組み合わせることで被弾時の火災を局限でき、さらに必要ならガスタービンを離して置くことも可能である。
 参考としてIHIのマイクロガスタービン開発事例を紹介したい。
「モノづくりスペシャリストのための情報ポータル あなたの部屋にもガスタービン、IHIが手のひらサイズを開発」
https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1202/17/news091.html
 一つ懸念があるとすれば、被弾による絶縁の破壊による感電である。感電の懸念に対して安全に放電できる仕組みは必要になるだろう。感電防止は電化が進めばどのみち必要になる。
 水性リチウム電池の出現は、電源の小型軽量化に貢献し、軍用装備品への普及に貢献するだろう。

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