インタビュー：リチウム硫黄電池
こんにちは！中小製造業応援団のたつみです。
高校の大先輩である、早稲田大学ナノ・ライフ創新研究機構の三栗谷さんに次世代蓄電池である「リチウム硫黄電池」や三栗谷さんの技術者としての想いを聞いてきました。今、開発が熱い次世代電池のことや最先端の研究をしている技術者に興味がある方に読んでいただければと思います。
イントロダクション
自分の技術で世の中にインパクトを与えたい———。技術者なら誰もが夢見ることだが、みんなが実現できるものではない。そんな中、いつの間にか国家プロジェクトに携わり、夢を現実に近づけている技術者が三栗谷仁さんだ。今、電池技術の分野は熱い。SDGsの普及やIoTのテクノロジー進化と共に、電池技術の重要性が高まってきた。特に電気自動車の影響を受け、蓄電池の性能と安全性、枯渇が進むコバルトの代替素材など様々なことが求められている。そこで、新しい次世代蓄電池の一翼を担うであろう「リチウム硫黄電池」の技術者である三栗谷さんに、リチウム硫黄電池についてと技術者としての考え方について語っていただいた。
軽くて安くて安全で容量が増やせるリチウム硫黄電池
－「リチウム硫黄電池」という電池は初めて聞きました。どういった点が次世代と言われる特徴なのか教えてくれますか？
「リチウムイオン電池」はご存知の方も多いと思います。ノートパソコンやスマートフォン、デジタルカメラなど様々な日常の中で使われてインフラの一部になっており、テスラ社の電気自動車のバッテリーもリチウムイオン電池です。昨年にはリチウムイオン電池で旭化成名誉フェローの吉野彰さんがノーベル化学賞を受賞されました。
簡単に仕組みを現行リチウムイオン電池と比較して説明しますと、リチウムイオン電池は正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素材料を使い、その間の電解質をリチウムイオンが行き来することによって充放電します。それに対しリチウム硫黄電池は正極に硫化物材料、負極にリチウムを使ってリチウムイオンを行き来させます。電池というものは大まかに言いますと、基本的な仕組みは同じで電極の材料を変え、それに合わせて電解質やセパレーターという電極の間にある材料を変えるだけです。中学生の頃に「ボルタ電池」というものを理科で習うと思いますが、基本的な仕組みはそれと同じなんです。ちなみにリチウムイオン電池のさらに前の世代のニッケル水素電池は正極にニッケル酸化化合物、負極に水素化合物を使っています。
－リチウム硫黄電池って何がすごいんでしょうか。私は化学の専門家ではありませんので、硫黄がすごいというイメージが湧きません（笑）
まず、重量エネルギー密度という数字があるんですが、それが大きいです。1kgあたりの電力量を示す数字ですが、リチウムイオン電池はおよそ150Wh/kgで大きくて200Wh/kgです。リチウム硫黄電池は800Wh/kgが期待できます。この重量エネルギー密度が高いので、同じ容量の電池ならかなり軽くできます。
同容量の電池比較。左がリチウムイオン電池、右がリチウム硫黄電池。
しかも硫黄は手に入りやすく安いです。日本は火山の国ですし、石油の精製時に硫黄が出来るので簡単にいくらでも手に入ります。製造技術も今までの電池の技術が応用できる部分が多いので、将来的には半分ぐらいの値段で作ることができると考えています。そしてこの「簡単にいくらでも手に入る」が大切なんです。現行のリチウムイオン電池にはコバルトが使われており、いわゆるレアメタルで2030年ごろに枯渇するという予測もあります。テスラ社の自動車のバッテリーには単3型リチウムイオン電池が6,500個も使われています。このペースであらゆるところに使われるとコバルトはどんどん枯渇していきます。
もう一つ重要なのは安全性です。たまにモバイルバッテリーが燃える事故が発生したり、燃える恐れがあるという理由でリコールが発生することがあります。モバイルバッテリーを鞄に入れていたら燃えたというニュースが最近ありました。これはリチウムイオン電池の電解質が燃えてしまってるのです。リチウム硫黄電池の電解質は難燃性なので、かなり燃えにくいです。リチウム硫黄電池は定置用電源に適していると言われていますが、燃えにくいため消防法もクリアできると考えられているからです。
つまり軽くて安くて安全でしかも容量を増やせる、非常に有効な次世代蓄電池だと思います。
－逆に弱点とか苦手なことってありますか？
リチウムイオン電池と比べると、劣化のスピードが速く充放電できる回数は少ないです。リチウムイオン電池の充放電回数最大2,000回に対し、リチウム硫黄電池は今のところですが400回ぐらいです。なので毎日や常時使用するものより、週に1回程度などたまに使う方が適しています。
加えて急速充電は非常に重要ですが、現在はもっと早める研究をしているところです。例えば自動車で考えてみますと、充電に30分かかると普及には厳しいと想定されます。ガソリンスタンドでガソリンを入れ始めてから30分は待ちたくないですし、高速で充電不足になった時の充電時間はせいぜい10分が限度だと思います。自動車の用途を想定している訳ではありませんが、リチウム硫黄電池でも急速充電と言えるスピードを出そうと研究しています。
参考までに、全固体電池の特徴を少しご説明します。
現行のリチウムイオン電池と比べて安全性が高く、急速に充電できる設計がしやすくで、サイズも見込みでは数分の1に小型化できるので、同じサイズで考えると高容量が実現できます。
一方で、今のところ製造が容易ではないので一番の課題は低コストでの量産化です。自動車は最終的にはグローバルで同一のものを生産するものなので、世界で均一な品質の全固体電池を製造できることが求められます。
－なるほど。苦手というよりタイプが異なる次世代蓄電池がある、と理解した方がいいようですね。
これからの10～20年は色んな電池が開発され、新しく出てきては見なくなる電池が出てきます。そうしている中で、勝ち負けというより棲み分けができてくると考えています。この電池は電気自動車用、この電池は家電用、これは災害電源用など。リチウム硫黄電池は、災害用や農業用ドローンに最適と考えています。それ以外にも航空機も使われる可能性があるなど、現在は色々な用途での研究開発中です。軽いという特徴は航空機にとっては魅力的で、恐らくハイブリッドで使っても相当な重量削減になると思います。
消費者や製品化の視点が強い技術者としてのこだわり
－三栗谷さんはずっと電池一筋ですか？
電池歴が一番長いですが、色々とやってきました。最初はパナソニックのVTR技術者からスタートし、1980年から10年ぐらいやっていました。それから電池の部門に異動し、2003年までニッカド電池やニッケル水素電池の技術者をやっていました。VTRの技術が実はニッケル系電池に応用できたんですよ。VTRでの粉体の分散とコーティングの技術は電池にものすごく活きました。そして、QA/QC部門に異動となり、パナソニックを退職する2012年までそこで過ごすことになりました。QA/QCは僕にとっては非常にいい経験になりました。よりお客さんに近く、製品を見ることができました。もちろん電池も重要部品なので製品のことを知らないと合った電池は設計できません。それでも立場が違うと視点も変わり、より実用的なことを考えられるようになったと思います。
－パナソニックを退職されてリチウム硫黄電池の研究開発に移られたんですね。
いえ、違います（笑）。その後3年ほど、ホームセンターのカインズホームの会社である株式会社カインズで電機製品全般を担当していました。全般というと聞こえはいいですが、要は何でも屋さんでした（笑）。何か電化製品が動かなくなったら呼ばれ、電気器具の使い方の問い合わせを受け、電気で動くものについて何でも対応していました。元パナソニックの技術者なので何でも知ってるだろうと思われてましたね。僕はQA/QCにいたといっても全製品を見れるわけないですし、分野の違う電機製品のことまで知っているわけではありません。品質なんかで困ったときは、古巣パナソニックの知人に聞いて四苦八苦しながら対応していました。実はこの経験も、今まで以上に使う人の視点になれる非常にいい経験となりました。その後で早稲田大学でお世話になることになりました。
－技術を蓄積され、技術の出口である製品や消費者の視点を持たれて、電池に戻られたんですね。
僕はそれまで何年も単身赴任でした。無錫（中国）や埼玉などいくつかの都市で仕事をしましたが、年齢もあって少し落ち着きながら社会に貢献できることをと考えていて、たまたま縁があったので電池の研究に戻ろうと思いました。研究というものは実用化とはかけ離れてしまうことがあるので、私の技術と培った視点が活かせると考えました。
早稲田大学のナノ・ライフ創新研究機構でお世話になり、まず蓄電池診断センシング技術の研究からスタートしました。これは今でもやっています。電池の残量や劣化具合を診断し、遠隔で電池の状況を知ることができるシステムです。これがあると数多くの電池を繋いでいてもダメになった電池を簡単に特定できます。その仕組みの実用化を考えているうちに、リチウム硫黄電池と全固体電池が国の重要次世代蓄電池と位置づけられ、国家プロジェクトとしてリチウム硫黄電池の研究開発が始まり、僕もメンバーに選ばれました。
リチウムイオン電池という1つの世代をすっ飛ばしてリチウム硫黄電池の研究というステップは、パナソニック時代の同僚にはビックリされました。電池の理論ってシンプルなんですが奥が深いんです。ただ、ニッケル水素電池とリチウム硫黄電池には重要な部分で共通の技術があり、正直最初は苦労しましたが今は次の展開がワクワクしています。
－どういったところで苦労しましたか？
しばらく電池技術から離れていて、今インフラとも言えるリチウムイオン電池の開発をしていなかったことが大きいです。技術について行くことに苦労しましたし、それに加えて早く実用化しなければとプレッシャーを自分でかけてしまっていました。蓄電池診断センシング技術を使ってモバイルバッテリーのレンタルの事業を考えたり、リチウム硫黄電池でも早く製品化まで持って行かなければ、という思いが強かったです。僕の研究者としての強みは、量産技術や消費者の視点を持っていることです。つまり実用化が僕の価値だと思い、知らず知らずに焦ってたんですね。やはり簡単には行かず、苦労しました。
－どう乗り越えたのですか？
僕は元々思い詰めて自分で背負って片付けるタイプではなかったです。先ほどお話ししたカインズの時代も、古巣にかなり頼りました。ある時ふと「自分で全部やらなくても、みんなと一緒に何かをやったり、みんなのお役に立てればいいんだ」と思えたんですね。その時に目の前がパッと開けて、色々なことを積極的に楽しくできるようになりました。先日、学会でリチウム硫黄電池の発表をしましたが、それも色々なことをやってみようと思ってのことです。
－紆余曲折がありながらも技術者を楽しく続けられているのはすごいですね。その長い技術者のご経験の中で、技術者としてのこだわりや大切にしていることを教えてください。
昔からよく部下に言ってたことで、"Quality up & Cost reduction"にはこだわりを持っています。ここで言うQualityは性能で、Costは量産化のスケールによるコストダウンではなく、「要素技術で性能とコストを両立させる」ことです。高い金でとにかく性能を上げるのではなく、実用化して世の中に広めるには両立させることが重要で、その要素技術を開発するのが技術者だと思っています。これは松下幸之助さんから影響を受けていて、幸之助さんは「5％のコストダウンは難しい。30％のコストダウンは簡単だ」と言っておられます。普通の感覚とは違いますよね。ちょっとした工夫を積み重ねるより、新しい技術や製品を考えた方がいいという発想です。これは技術者にとって大切な考え方です。
当面の夢は、大阪万博で面白い製品を出す
－最後に、今後のリチウム硫黄電池と三栗谷さんの展望について聞かせてください。
リチウム硫黄電池は災害用や農業用ドローンに最適という話をしましたが、ドローン以外も含めて色々な研究開発が進んでいます。今研究している中で実用化が有力なものを、例えばですが、大阪万博で発表してみたいです。世界が注目するような製品を万博でお披露目なんてすごいじゃないですか。ワクワクしますね。
リチウム硫黄電池は、軽くて安くて安全で、容量を増やせる電池です。災害時のドローンやロボット、低価格化が重要な農業用品など広く貢献できる用途があると思います。10年後ぐらいにはいくつかの用途ではスタンダードな電池になるように研究開発しています。また蓄電池診断センシング技術を使って「電池を買わなくてもいい世の中」にしたいです。色々思い描くことはありますが今は当面の夢に向かいながら、社会に貢献できるようにがんばります。
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