【新エネルギーの応用】果たしてリン酸鉄リチウム電池か、それとも三元リチウム電池の方が安全なのか？

現在、国内の純電気自動車のバッテリー技術路線は大きく2つに分かれている。1つは三元バッテリーで、もう1つはリン酸鉄リチウムバッテリーである。 リン酸鉄リチウムの熱暴走温度は三元系よりも高く、正極材料としての安全性に優れている。積載ユニットのバッテリーパックについて言えば、リン酸鉄リチウムに比べて三元電池は体積が15％以上小さく、重量も20％以上軽いため、三元電池を搭載した車両では空間の有効活用度が高くなる。 世界的に見ると、三元系電池は現在、世界のリチウムイオン電池市場の80％以上を占めている。グローバルな経営コンサルティング会社ATKearneyのデータによると、全体的なリチウム電池用正極・負極材料市場において、93％が三元系電池材料であり、高い出力性能と安全性が求められる電気自動車用電池市場ではそのシェアは81％を超えている。 中国市場においては、動力電池企業はリン酸鉄リチウム分野での開発が早く、全体的な市場シェアも高い。また、海外市場とは異なり、比較すると海外では新エネルギーバスが少なく、私用車の方が多いです。 公開資料によると、2015年の動力電池の出荷量は15.7Gwhに達し、そのうちリン酸鉄リチウム電池が依然として主流で、市場シェアの約69％を占めていた；三元材料電池の出荷量の割合は27％です。乗用車分野においては、電池の種類は主に三元材料であり、電池の出荷量は1.93Gwhに達した；バス分野では、主にリン酸鉄リチウム電池が搭載されており、純電気バスの電池容量の84％を占めている。一方、三元系材料電池はわずか12.9％に過ぎない。 しかし、新エネルギー乗用車において航続距離などの要求が高まるにつれて、多くの動力電池メーカーが三元リチウム電池の研究開発を加速しており、同時に市場での利用も拡大している。

中国航空リチウム電池研究所の郭盛昌所長　三元電池を商用車のリストに加えることを延期するという政策は、短期的には三元材料を扱う企業に大きな影響を与えるだろう。長期的に見れば、やはりリチウム鉄系材料と三元系材料の技術発展が鍵となり、これら2つの材料がそれぞれの弱点を補えば、その発展の見通しは同様に明るい。 　　同時に、郭盛昌は、現在、リチウム電池産業における投資や注目は原材料や電池の製造段階に集中しているが、持続可能な循環型発展を実現するためには、段階的な活用やリサイクルに力を入れ、材料の価値を最大限に引き出す必要があると指摘した。 　　リチウム電池のサイクルにおいては、現在、三元系のリサイクルが整備されつつあり、産業が発展するにつれてニッケルやコバルトのリサイクルもますます成熟してきている。特に動力電池分野では、すでに多くの企業が積極的に取り組んでいる。しかし、リチウム鉄酸バッテリーはまだ完全な産業循環が構築されていない。 　　郭盛昌は、リン酸鉄リチウム電池の循環システムを真に構築するためには、4つの重要な問題を解決しなければならないと考えている。第一に、モジュールの分解であり、どのような自動化形態、あるいは低コストな形態で分解するかです；第2部は電池の選別と評価であり、現在のところ電池の選別コストは依然として高いため、どのようにして低コストかつ安全に選別するかが課題となっています；三つ目は段階的な活用で、古いバッテリーの寿命をより長くし、それによって業界全体のコストを削減する方法です；最後にリサイクルで、もはや使えない場合には、中間の価値を再利用処理するのです。

三元リチウム電池が「使用停止」になるまでの経緯　2016年1月24日、工業情報化部装備工業局の張相木局長は、2016年に開催された中国電気自動車百人会の「動力電池の発展とブレークスルー」というテーマのサミットで、三元リチウム電池に関するリスク評価を行うと述べました。そして、その評価が終了するまで、三元リチウム電池を搭載したバスを新エネルギー自動車の推奨車種リストに加えないとしました。 工業情報化省の見解では、三元リチウム電池はエネルギー密度が高く、循環寿命も優れており、将来的なリチウム電池の重要な発展方向である。しかし、我が国ではこの分野でのスタートが遅く、バス向けとしての安全性の開発や検証も十分ではない。そのため、同省は新エネルギー自動車製品の安全技術基準をさらに引き上げることを検討しており、現行の安全基準体系の下で三元リチウム電池を搭載したバスなどの車種についてリスク評価を行う予定だ。 それに先立ち、中国自動車工業協会の徐艶華副秘書長は、三元リチウム電池が国内でまだ始まったばかりであり、電気バス向けの安全性の確保や検証が不十分で、関連する試験基準も整っていないため、工業情報化部に対し、三元リチウムイオン電池を搭載した純電気バスを免税対象とする登録申請の受付を一時停止するよう提案していた。

2015年8月6日には、工業情報化部が「省エネおよび新エネルギー自動車の普及促進に関する安全上のリスクの調査・是正についての通知」を発行していました。この通知が出された背景には、一部の地域で純電気バスやハイブリッドバスの自然発火事故が相次いで発生したことがある。関連機関の初期調査によると、事故車両には製品設計や日常使用において安全上の欠陥や潜在的な危険性があった。 教訓を踏まえ、同様の事故の再発を防ぐため、工業情報化部は省エネおよび新エネルギー自動車の製造企業に対し、安全上のリスクの調査と是正を行うよう通達を出した。製品設計、製造、運用、リサイクル・廃棄といった各段階において、企業は安全をしっかりと守り、省エネおよび新エネルギー自動車の安全な運用を確保しなければならない。 統計によると、近年我が国では確かに電気バスの火災事故が多発している。資料によると、2011年から現在までに国内で少なくとも22件の新エネルギー車の火災事故が発生している。その中で、複数の電気バスの火災事故が2015年に発生しましたが、その理由の一つは、客車やバスに搭載されているバッテリーの数が多く、事故が起きやすかったからです。

三元リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池の比較 リチウムイオン電池には、リン酸鉄リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムといった三元系材料、リチウム炭酸塩、リチウムニッケル酸塩など、多くの種類がある。現在、自動車でよく使用されているのは主に三元リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池である。 三元リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池はそれぞれ特性が異なり、主な対立点は「エネルギー密度」と「安全性」に集約される。三元リチウム電池はエネルギー密度が高く、体積が小さく、重量も軽いが、安全性についてはしばしば疑問視されている。リチウム鉄リン酸塩電池はエネルギー密度が低いものの、より安全だと言われています。 これら2つの材料は、一定の温度に達すると分解します。三元リチウム材料は200度程度で分解します。また、三元リチウム材料の化学反応はより激しく、酸素分子が放出され、高温の影響で電解液が急速に燃焼し、連鎖反応が起こる。一方、リン酸鉄リチウムは700～800度で分解し、三元リチウム材料のように酸素分子を放出しないため、燃焼はそれほど激しくありません。簡単に言うと、リン酸鉄リチウム材料よりも三元リチウム材料の方が燃えやすいということです。

発展傾向を見ると、国内の乗用車メーカーは次々と三元リチウム電池の使用に転換しており、現在では北汽や比亜迪、江淮などが製造する電気自動車もすべて三元リチウム電池を搭載している。対応するサプライヤーも三元リチウム電池の生産を加速しており、例えば億緯锂能の第2工場は計画上、主に三元リチウム電池を生産する予定だ。 リン酸鉄リチウム電池は、電気バス市場でますます活躍している。昨年11月のデータによると、リン酸鉄リチウム電池を搭載した電気バスの割合は64.9％に達し、三元リチウム電池を搭載したものは27.6％に過ぎなかった。一方、純電気乗用車市場では、三元リチウム電池の搭載率が昨年11月に76％を超えました。

実用解説：三元材料とは一体何なのか、なぜ安全上の問題を引き起こすのか？ 2016.2.26 第一電動網　電池技術の路線争いは長年にわたって続いており、三元材料を用いた動力電池が新エネルギーバスでの使用が一時的に停止されると、業界内で大きな論争が巻き起こった。2月26日、第一電動網は北京で「三元材料電池の安全性に関する討論会」を開催し、動力電池、完成車、科学研究などの分野から集まったエリートたちが一堂に会し、動力電池技術および市場の発展状況について議論した。 サロンディスカッションに参加したゲストには、中国化学と物理電源産業協会の秘書長である劉彦龍、ボータンテクノロジーの創業者である聂亮、北京ボストンバッテリー技術有限公司のシニアディレクターである馬俊峰、北京佐思情報諮詢有限責任公司の首席顧問である佟子谦、ロシアのサンクトペテルブルク国立技術大学機能材料・新エネルギー技術研究所の王庆生、遠東フォスター新エネルギー有限公司のセールスディレクターである譚浩海、ビックバッテリーの研究開発センターの副シニアエンジニアである宋華傑がいました。第一電動網のCEOである邱锴俊がサロンの司会を務めました。 三元材料電池とは何ですか？現在の利用状況はどうですか？なぜ皆から安全性への懸念が生じるのでしょうか？前半部分の議論では、ゲストたちはそれぞれ意見を述べたが、三元材料の安全性に疑問を呈する結論を全員が否定した。全体として、自動車が燃料から電動へと移行するプロセスが進行中であり、その速度も非常に速い。すべての電気自動車は、バッテリーの安全性を適切に管理しなければならないという課題に直面している。

王慶生：「三元材料は安全ではない」というのは概念上の誤りだ。三元材料とリチウム鉄リン酸塩など他の正極材料にはそれぞれ長所と短所があるが、安全かどうかという違いは存在しない。材料だけを見て安全性を語るのは片面的すぎます。シリコン系材料やリチウム鉄リン酸塩など、他の正極材料にもそれぞれ長所と短所があります。材料だけを見て安全性を語るのは片面的で、材料は異なる環境、構造、体積、製造工程といった条件の下で異なる使用結果を示し、これは非常に大規模なシステムエンジニアリングです。私たちがすべきことは、電池材料の強みを生かし、弱みを隠すことです。 材料の安全性は、その物理的な指標だけで判断されるものではなく、使用過程においてどのように適切に管理し、上手に利用するかが最も重要です。三元材料自体の酸化発熱による還元温度はリチウム鉄リン酸とある程度異なりますが、リチウム鉄リン酸材料の酸化発熱温度が高いからといって安全だというわけではありません。電池の安全性を研究する際には熱の観点から考えます。もし電池自体を発熱が非常に少なく、かつ放熱性が優れたように設計すれば、そのサイズや使用される材料に関係なく、実際には安全なのです。概念的な誤りにより、三元材料は安全ではないと考えられてしまい、リチウム鉄リン酸塩にも同様に危険性があるとされています。したがって、材料の安全性を研究する際には、その物理化学的指標や適合する材料、発熱メカニズム、放熱メカニズムなどを検討する必要があります。単に「安全かどうか」ということだけで語ることはできないのです。

劉彦龍：三元リチウム電池が将来の発展方向だ。動力電池の発展は、我が国が初期に定めた動力電池開発のロードマップと大きく関連している。第11次5カ年計画期間中は、リン酸鉄リチウムを主体とする開発がより支援された。2013年から2015年にかけて動力電池の産業化が加速したが、関係者は政策の方向性から、今後は三元電池がより多く支援されると判断した。そのため、多くの企業が三元電池を自社の発展方向として選んでいる。2015年9月に国内の動力電池企業の生産能力について初歩的な統計を行ったところ、30社以上の企業が9月までに構築した生産能力は3,000億ワット時以上に上った。ごく少数の企業が三元系を採用している以外は、2,500億ワット時以上がリン酸鉄リチウムを主としており、今後さらに増設される予定も含まれている。 2015年の動力用バッテリーの利用状況を見ると、市場規模は2,000億を超えており、その70％以上がリン酸鉄リチウムである。特にバスでの使用比率が高く、乗用車の場合は三元系材料への移行が進んでいる。しかし、2016年から2020年までの新エネルギーバス補助政策ではEkgの要件が示され、バスメーカーが三元リチウムへ移行することを促した。全体的に見て、三元リチウム電池は将来の発展方向です。 材料自体について言えば、三元材料とリン酸鉄リチウム材料が発熱を制御できなくなった際の熱分解温度には差があり、三元材料の方が温度は低く、リン酸鉄リチウム材料の方が高くなります。また、企業が試験を行う際、押出し試験の結果、三元材料は短時間でより深刻な状態になることがわかっています。例えば、すぐに燃焼して爆発することもあります。一方、リン酸鉄リチウムの場合は、主に煙が出る程度です。生産工程の管理において、可能な限り熱分解温度に達する前にプロセスを中断させることで、事故を抑制できる対策がいくつかあります。材料自体にいくつかの特性があり、後工程の製造や応用において多様な保護措置を講じることで、三元系材料電池をより安全にする必要がある。

馬俊峰：完成車において熱管理策が十分に考慮されていない。ボストン・バッテリーが三元リチウム技術路線を選択した理由は、電気自動車には軽量化という発展方向があり、Ekg指標からも高エネルギー密度の技術路線を探す必要があると判断されたからだ。現在のところ、三元系材料は比較的量産が可能で、エネルギー密度が高く、低温特性も一定水準に達している素材です。現在、ボストンの三元系リチウム電池を組み上げた後のエネルギー密度は、約125Wh/kgに達しています。 安全性と電池材料の関係はそれほど大きくなく、より重要なのは適用されるシーンです。新エネルギー自動車の保有台数が急増しており、事故発生の確率も高まっているため、バッテリーの安全問題を再考する必要がある。どのような観点から、現在の業界がより良く発展していけるか。どうすれば車両が大きな事故を起こさないようにできるか。あるいは、万が一火災や爆発事故が起きたとしても、乗員が安全に乗用車から脱出できるよう保証するにはどうすればよいか。国内の過去2年間の発展を振り返ると、新エネルギー車はおよそ5〜6ヶ月で市場に投入されている。ほとんどが改造車であり、少なくとも半数以上は熱管理策が考慮されていない。これがバッテリーの弱点となっているのだ。ボストンバッテリーが現在採用している市場戦略は、できるだけバッテリーに対する要求が比較的緩い車種と提携することです。車全体として良好な環境を提供できないため、バッテリーをあえて活性度がそれほど高くない状態で使用し、安全性のリスクを低減させているのです。この安全性の問題は、車全体やパークの観点から考えることが多く、材料の観点から考えると少し偏っています。