【速報】TOYOTA LQ 全固体電池搭載車 オリンピックマラソン伴走車はそうだったのか

リチウムイオン電池で発熱や発火が起きる要因を整理しよう

発火を防ぐだけでなく、被害を最小限に抑える対策も

　冒頭で紹介した「ボーイング787のバッテリー問題」ではその後、国家運輸安全委員会（NTSB）による事故調査が行われました。NTSBは2014年9月下旬に公表した最終報告書の中で、リチウムイオン電池の内部短絡によって発煙に至ったと指摘しました。内部短絡そのものの原因については、コンタミや低温環境による金属析出がその可能性として挙げられたものの、電池が激しく損傷、炭化してしまったために原因の特定までは至らなかったとしています。

　この事例から、リチウムイオン電池に起因する発火事故の多くは、事後検証による原因特定が困難であるということが伺えます。そのため、原因を特定し、「どのようにして問題の発生を防ぐか？」という視点ももちろん大切なのですが、万が一の事態の発生に備えた安全機構の設置や発生後の迅速な対応といった、「起こってしまった問題の被害をどのようにして最小限に抑えるか？」といった視点での対策も重要となります。

　2019年3月、リチウムイオン電池の異常発熱問題に関する、ある訴訟が注目されました。ノートPCのバッテリーパックが発火し、やけどを負ったのは製品に欠陥があったためとして、製造元に対して製造物責任法（PL法）に基づく損害賠償を求めた訴訟です。判決で東京地裁はその欠陥を認め、損害賠償の支払いを命じたというものです。

　この判決の中で裁判官は、事故後の調査で発火原因を特定できなかったものの使用方法自体は適正だったと指摘し、「発火が想定されないバッテリーパックが突然発火しており、通常有すべき安全性を欠いていたと推認できる」と述べています。

　つまり、「原因を特定できなくてもPL法上の欠陥は認められ、賠償責任はある」との判決が下されたということであり、原因不明のままリコール・製品交換などを実施するだけでは、製造側の異常発熱問題発生後の対応としては不十分であるということです。

　今後、電池搭載製品で異常発熱に起因する訴訟が起こった場合、この判決を踏襲される可能性は十分に考えられるため、製造・販売に携わる方々は、異常発熱やそれに付随する発火の問題について、より一層注意をするべきです。リコール・製品交換では事後対応として不十分である現状、製造側にはあらかじめ想定される問題を洗い出し、その対策となる安全機構を盛り込んだ製品設計が要求されているともいえます。

過去の事例や実機の検証から学んで被害を抑える

　こういった対策を考えるために必要なのは「過去の事例」と「実機の検証」です。「過去の事例」についてはデータベースを活用することが有効です。例えば、日本で発生したさまざまな製品の事故やリコールの情報は製品評価技術基盤機構（NITE）が公式Webサイトにて公開しています。

　そして、製品に施した対策が有効か、想定していない問題点がないかなど「実機の検証」をすることも大切です。しかし、そのような検証試験は危険を伴うこともあり、メーカー単独では実施が困難な場合も少なくありません。日本カーリットの危険性評価試験所では、製品の発火や爆発を伴うような試験でも安全に実施できる設備、試験環境をご提供しております。

　繰り返しになりますが、リチウムイオン電池が普及する昨今、異常発熱およびそれに起因する発火事故は、ひとたび発生すれば非常に大きな問題となります。しかしその一方で、それらの多くは事後検証による原因特定が極めて困難です。電池を搭載した製品を製造するメーカー側は「過去の事例」と「実機の検証」を通し、その問題への対応を考える必要があるといえるでしょう。

　また、製品を使用するユーザー側はメーカーが推奨する正しい運用方法を守り、必要以上に電池を酷使しないことが大切です。さらに、使い終えた電池は一般ごみに混ぜるのではなく適切な方法で処分するようにしましょう。

　発火や爆発といった事象はどうしても目につきやすく、過度に危険な印象を抱きがちですが、電池は今や私たちの生活には欠かせない存在です。むやみに恐れるのではなく、適切な運用方法を守って上手に付き合っていきましょう。

実車で走って分かった全固体電池の課題は「寿命の短さ」、EVよりもHEV向き？

　トヨタ自動車は2021年9月7日、オンラインで説明会を開き、電動車の普及に向けた投資などの戦略を発表した。

　同社は2021年5月に従来の電動車販売の見通しを修正し、2030年にグローバルでHEV（ハイブリッド車）とPHEV（プラグインハイブリッド車）、FCV（燃料電池車）、EV（電気自動車）の販売を合計800万台とした。このうち、EVとFCVが合計200万台と見込む。2017年の時点では2030年に電動車販売が合計550万台で、このうちEVとFCVが合わせて100万台としていた。

　足元のトヨタ向けの電池の生産量は6GWhで、電動車の販売800万台を実現するには電池の供給を30倍に拡大する必要がある。これまでHEV向けに20年かけて拡大してきた生産体制を、今後10年で同じだけ拡大するハイペースが求められる。

　この大幅な上方修正に伴い、2030年までに電池の開発と供給に対して1.5兆円を投資する。このうち1兆円が電池の供給向け。EV向けでは2025年ごろまでにリチウムイオン電池の生産ラインを10本増設する。さらに、2030年まで年間10本以上のペースで生産ラインを順次増やしていく。いずれも電池のサプライヤーと協力して生産体制を構築する。トータル70本の生産ラインをEV用とし、年間生産量としては200GWh以上も視野に入れる。

　増設する生産ラインは、少量生産であっても競争力を確保でき、リードタイムや人員、生産量が柔軟な“小さな原単位”にこだわる。ライン1本を小さくし、部分的な能力増強など小刻みな投資を行うことで、かつてのリーマンショックのように生産を減らさざるを得ない局面にも強い体制をつくる。

　開発面では、1台当たりの電池コストを2020年代後半までに50％削減する。電池単体でのコスト低減と、車両の電費（電力消費）の改善の両輪で達成する計画だ。廉価な材料や製造プロセスの新たな開発により、電池は単体でコストを30％以上低減。また、電費を30％改善することで電池容量（＝コスト）が30％減らせるとし、車両と電池の一体開発を推進する。これによ全固体電池は「HEV向き」

　電池はHEV向けとPHEVやEV向けのフルラインアップを整える。HEV向けは瞬発力重視で、これまでにも搭載実績のあるニッケル水素電池とリチウムイオン電池の他、全面改良した「アクア」で初採用したバイポーラ型のニッケル水素電池の搭載を拡大する。

　PHEVとEVは持久力重視で、2022年半ばまでにグローバルで販売するSUVタイプのEV「bZ4X」は、新車から10年後の電池の容量維持率を90％とし、世界トップレベルの耐久性能を目指す。

　長寿命達成のカギは電池の負極の表面に発生する劣化物だ。劣化を抑制する表面処理、電池構成材料が含む水分を電池内部に持ち込まない設計と生産技術、電池を均一に冷却する構造の採用、電池の負荷を減らす制御システムなどさまざまな方策によって劣化物の生成を抑える。HEV用の電池開発から取り組んできた解析と対策の積み重ねで耐久性の向上につなげる。

　2020年代後半には、液系電池の材料進化や電池構造の革新などによる「新型リチウムイオン電池」を投入する。「新型リチウムイオン電池」には全固体電池も含まれる。2020年6月に全固体電池を搭載した車両を試作、テストコース内で走行データを取得した。そのデータを基に改良を重ねて、同年8月にはナンバーを取得し、公道での試験走行も実施した。り、EVをリーズナブルな価格で提供する。

　その中で、全固体電池の高出力な特性がHEVにも向くことや、寿命の短さが明らかになった。量産車での全固体電池の搭載は、EVよりもHEVが先行するという。低寿命なのは、全固体電池を長く使う中で固体電解質と負極活物質の間に隙間が生じてしまうことが要因だ。そうした現象を抑制する材料の開発に取り組む。全固体電池の課題を克服した上で、HEVからEVに展開する考えだ。

　全ての電動車に共通して、電池開発では「安全」「長寿命」「高品質」「良品廉価」「高性能」のバランスを重視する。CTOの前田氏は「これらの5つの要素のうち、どれかを追求すれば何かが低下するなどトレードオフになるものもあるが、バランスをとることが安心に使える電動車につながる」と語る。

　説明会でCTOの前田氏は、電池と車両の開発が両輪で進むことの重要性を強調した。一部の自動車メーカーは電池で使用する活物質や、その使い分けの方針を示している。具体的な量産モデルの計画よりも電池の種類や採用する材料の戦略が先行して発表される場合もある。トヨタ自動車は特定の材料には言及せず、2020年代後半に向けて幅広くさまざまな電池開発に取り組む。

　今後注目する材料や調達に関する質問を受けて、前田氏は「さまざまな活物質を検討しており、どれかに強く傾注すると決められる段階ではない。EVの走行距離を例にしてもニーズは地域ごとにさまざまだし、かつての馬力競争のように走行距離が長いことが強みになるのかどうか。どの材料でやるべき市場なのかは、ニーズを見ていく必要がある。まずはクルマの素性をよくしていく。より良い素性で少ないエネルギーでもよく走り、電池の性能を使い切る制御があれば、車両に搭載する電池の量が減る。それは、ライフサイクルでのCO2排出や、材料の調達リスクを減らすことにもつながる」と回答した。

　固体電解質の長寿命化や液系電池の材料進化など、材料開発にも注力する。過去の材料開発のデータを生かした「マテリアルズインフォマティクス」を活用して、最適な材料を最短で探す手法をとる。

　CTOの前田氏は電池と車両の開発を両輪で進めることについて、「電池の使い方はクルマの使い方だ。いつ充電するか、どの程度走るか、どのように温度が下がるか、使い方を設計や制御に反映させていく必要がある。電池だけ、クルマだけの開発でこれをやるのは難しい。両輪だからこそやりやすいし、成り立つ。車両がこうなっているときに電池はどのような状態か、評価する必要がある。シミュレーションなど計算も重要だが、データ収集と走行テストのループも繰り返しながら5つの要素が高いレベルでバランスが取れるポイントを愚直に探していく必要もある」と語る。

　ただ、使い方によって電池の状態はさまざまだ。発熱や発火といった重大な影響を及ぼす劣化への対策も求められる。

　リチウムイオン電池全般の発熱や発火の対策としては「電池をどこまで監視できるか、電池の内部で起きていることを材料レベルでも把握できることが重要だ。車両の状態や使い方によって、電池の温度、充電量、電流、劣化状態が決まってくるが、その組み合わせのパターンは膨大だ。電池を評価する上では、全てつぶし込まなければならない。そういう評価をリアルで積み重ねていくと、データがたまってくる。データが増えれば、AIがデータとデータの間を補完したり、シミュレーションでより広い条件や、中間の条件でも発熱や発火が大丈夫なのか検証できる」と前田氏はコメントした。

競争過熱の全固体電池、EV用は「期待はずれ」に終わるかも

電気自動車（EV）用の電池として本命視されている全固体電池。日本ではトヨタ自動車＜7203＞が2020年代前半の実用化を目指し、独フォルクスワーゲン（VW）は電池ベンチャーの米クアンタムスケープと共同開発中で2024年をめどに量産に入る予定だ。「全固体電池の時代」は、本当に訪れるのか？

燃料電池車の「二の舞」に？

この両社以外にも日産自動車＜7201＞が2020年代後半、独BMWが2030年までに全固体電池車の実用化を計画するなど、参入メーカーは目白押しだ。今後10年以内に全固体電池搭載EVの時代がやって来そうだが、思惑通りに実用化できる保証はない。

実は20年前に同様のブームがあった。燃料電池車（FCV）ブームだ。EVの弱点として挙げられていた充電時間の長さや航続距離の短さを克服する技術として注目された。FCVは純水素のほか、水素への改質が可能な高品位ガソリンやエタノールを充填すれば、直ちに発電して走行できる。タンクに十分な容量があれば、バッテリー頼みのEVよりも長距離走行が可能という触れ込みだった。

2000年になるとFCVは「次世代環境車の大本命」と目され、世界中の自動車メーカーが開発に乗り出す。日本でもトヨタやホンダ＜7267＞、日産、マツダ＜7261＞、三菱自動車＜7211＞、スズキ＜7269＞、ダイハツなどがFCVの試作車を開発した。

2001年1月には経済産業省が「2020年までにFCVを約500万台導入する」目標を掲げている。だが、現実には2020年時点で市販されているFCV乗用車はトヨタ「MIRAI」、ホンダ「クラリティ フューエル セル」、韓国の現代自動車「ネクソ」の3車種のみ。同年のFCV世界販売は約9000台にすぎなかった。

すでに自動車業界でFCVは「次世代環境車の大本命」の地位から脱落し、代わって全固体電池車がブームとなっている構図だ。全固体電池が燃料電池の二の舞にならないという保証はない。実際、全固体電池は燃料電池との共通点が多いとの指摘もある。

実験室では高性能でも…

実は両方とも新しい技術ではない。FCVの実験車第1号が誕生したのは1966年のこと。米ゼネラル・モーターズ（GM）が開発した「Electrovan」がそれ。液体水素を燃料に、航続距離は240km、最高時速は110kmだったという。

全固体電池も1990年代に最初の研究開発ブームが起こっている。当時はペースメーカーのように絶対に液漏れを起こしてはいけない機器向けの小型電池として注目されたのだ。その後、ゲル状の電解質を利用したポリマー電池が普及し、全固体電池の研究開発ブームは一旦終わった。

EVで全固体電池を利用すればリチウムイオン電池に比べて航続距離が最大2倍、発火事故や電池の劣化も起こりにくい。しかも、わずか15分で全体の80%の充電ができるという触れ込みだ。これらについても「実験室レベルでの話で、量産化で実現するのは難しいのではないか」との指摘も根強い。

現時点で発表されている全固体電池は、小型電池で強みを発揮するものがほとんど。EVを動かすような大出力・大容量タイプで、こうした優れた特性を再現できるかどうかは未知数だ。

米テスラのイーロン・マスク最高経営責任者（CEO）は、トヨタが2017年に発表した全固体電池について「口では何とでも言える。サンプルを持って来て、私たちか第三者の研究機関で検証させてくれ」とこき下ろした。マスクCEOは以前にも、トヨタが究極のエコカーとしていたFCVを「水素社会など来ない」と批判している。

トヨタは東京オリンピック・パラリンピックで全固体電池車の試作モデルを公開する予定だ。「全固体電池車ブーム」に踊らされず、先ずはその性能を見定めてから全固体電池の将来性を判断しても遅くないだろう。