特集　ユビキタスエネルギーデバイスのための材料開発

ユビキタスエネルギー技術の研究戦略
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門長　小黒　啓介

年間500エクサジュールとも言われる人類が使うエネルギー総量は増加の一途をたどり,止まることをしらない.石油を始めとするエネルギー源の枯渇と地球規模での気候変動への影響は,この肥大化したエネルギーを人類がコントロールできなくなった結果である.

このことは,エネルギー消費が経済原理や市場原理に委ねられているからでもある.一方で,エネルギー問題を解決する手段の重要な担い手は技術開発であるが,技術開発もまた,経済原理や市場原理と無縁ではない.

エネルギー技術は,エネルギー収支を基本としたライフサイクルアセスメントに見合った技術でなければならない.しかし,それを乗り越えることはたやすくない.多くの未熟な技術シーズは,この段階で振り落とされてしまう.ところが技術シーズは,他の技術要素と組み合わせることでも課題を解決できることがあり,また商業レベルでの開発が効率の大幅な改善を実現することも多い.そのため,大規模エネルギー供給用途を研究開発の直接のターゲットに置くのではなく,小型で付加価値の高い情報機器などの電源をターゲットにして,エネルギーとしては高コストであっても実用化が見込める技術を手掛けることが考えられる.このように小規模でも実用化した技術の中から,大規模エネルギー供給用途に適用できるものが生まれてくると考えるのが,ユビキタスエネルギー技術の研究開発戦略である.すなわち,使用量は少なくても高いコストを吸収できる高付加価値の用途で事業化するステップが,エネルギー収支の面でも実用化するような本格的なエネルギー技術に育つためのルートであると考えている.その意味で様々な技術シーズが試される最初の用途はモバイル機器であり,次いで自動車など移動体の動力であろう.

ユビキタスとは,いつでもどこにでも遍く存在するという意味で使っていて,ユビキタスエネルギー技術は,どこででも利用できるエネルギー源の提供を目指している.では,このようなユビキタスエネルギー技術について,トップダウン的な視野から研究開発の体系を俯瞰してみよう.

現状の機器類で最も利用しやすい形態のエネルギーは電力である.そのため,当面のターゲットはポータブル電源ということになる.様々な電源が考えられるが,二次電池と燃料電池が主な対象となる.

二次電池は,既に年6,000億円を超える産業に成長しているが,更にエネルギー密度と安全性の高いものが求められている.それらに加えて,当面は,コスト,耐久性,全容量を充放電できる速さである時間率,エネルギー効率などの得失から用途を分けて各種の電池を並行して研究することになる.そして電池を構成する要素に分けた場合の研究対象は,正極,負極,電解質,集電体などである.

燃料電池ではモバイル機器に適用できるような常温で作動し,燃料をタンクで供給するタイプを目指している.

身の回りに遍く存在し,自然の循環に委ねられるものとしては,水と空気がある.固体高分子形燃料電池は水素を燃料とする発電装置の代表であり,酸素を消費して水を排出する.幸いにして水素は燃焼エネルギー当たりで最も軽い燃料であり,高分子膜を使えば出力密度も高い.しかし,いいのはそこまでであった.水素をいかに貯蔵するかを始め,貴金属触媒のコスト,耐久性など課題は多い.

水素貯蔵の課題は,水素吸蔵合金などの貯蔵媒体や水素を発生できる燃料の開発につながり,また水素以外の燃料を使うダイレクト燃料電池の研究に及んでいる.

二次電池でも燃料電池でも,開発や評価にはナノ・スケールの構造を持つ材料界面の解析が欠かせない.X線等による分析や電子顕微鏡による観察を第一原理計算の結果と合わせることで,統合的な解析ができると考えている.これら競合する電池・燃料電池技術には共通する基盤が存在するため,各々の研究チームが融合することで,強力な研究開発ポテンシャルが生まれると期待している.

高性能蓄電デバイス用正極材料の開発
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　田渕　光春　他

■要約
最近,さらなる合成法の工夫と充放電試験条件の最適化により鉄含有Li2MnO3系正極材料において,平均電圧が3Vと低いものの充放電容量が200mAh/g以上に達し,高容量正極といわれているLiCrO2-Li2MnO3固溶体,LiCoO2-Li1-xNi1+xO2-Li2MnO3固溶体に匹敵する容量を実現するに至ったのでその結果に関して紹介する.


高性能二次電池負極材料の開発とナノ材料技術
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　境　哲男

■要約
リチウムイオン電池は,各種携帯用機器から電動アシスト自転車,電気自動車まで利用範囲も広がっているが,まだ機器側の要求を十分に満たすまでには至っておらず, 新規材料の導入による飛躍的な高容量化が求められている.このような中で,従来の黒鉛系負極材料に比べて,体積当たりでも重量当たりでも数倍の高容量化が可能な合金系負極材料が期待され,活発な研究開発が行われている.最近ではナノ材料化や薄膜化などのアプローチによって,高容量化とサイクル寿命の飛躍的な向上が図られつつある.本稿では,シリコン系薄膜材料のナノ構造と電極特性について紹介したい.


リチウム二次電池電解質としてのイオン液体
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　松本　一　他

■要約
本稿では,それ以降現在に至るまでに見いだされた知見(1. 電池材料共存下でのイオン液体の熱安定性,2. リチウム金属の平滑電析,3. 脂肪族四級アンモニウム塩の粘性を低減させうる新しいアニオン,4. 比較的高い充放電電流密度での電池作動が可能なイオン液体,)について示したい.


固体高分子形燃料電池電極材料の研究開発
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　安田　和明　他

■要約
固体高分子形燃料電池の実用化には耐久性の向上が重要な課題になっており、劣化要因とその作用機構の解明と対策技術の開発が急がれている.本稿では産業技術総合研究所ユビキタスエネルギー研究部門における電極触媒担体の劣化に関する研究とそれに基づく新規な担体材料開発について述べる.


新しい水素貯蔵材料の開発
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　徐　強

■要約
本稿では,筆者らが取り組んできた二つの新しい無機系水素貯蔵材料の開発について紹介する.その一つは,酸化ナトリウムを可逆的水素貯蔵材料として利用したものであり,酸化物を使用したことにより従来主に第15族以前の元素に限られていた可逆的水素吸蔵・放出材料を第16族元素まで広げた.もう一つは,アンモニアボランの加水分解を利用した水素発生システムであり,本システムは安全で使いやすいポータブル水素発生システムとして利用が期待されている.


ユビキタスエネルギーデバイス用触媒におけるマテリオミクス
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　山田　裕介　他

■要約
本稿では,ユビキタスエネルギーデバイスの用途で用いられる触媒の開発を例に取り,コンビ手法を利用して行う化学種間の相互作用に関する材料の包括的解析研究として,マテリオミクスという研究手法の概念ならびに我々の研究の一端を紹介する.


ユビキタスエネルギー材料の分析電子顕微鏡による構造解析
■著者
独立行政法人　産業技術総合研究所　ユビキタスエネルギー研究部門　秋田　知樹　他

■要約
本稿では,様々な機能材料に対して,材料開発への応用から基礎研究にわたって,分析電子顕微鏡法を適応した研究例について紹介する.


連載
健康環境産業シリーズ(1)ナノテクノロジーの社会的影響
■著者
独立行政法人産業技術総合研究所東京本部　 阿多　誠文

■要約
タイトルに挙げたナノテクノロジーの社会的影響は,どのようなことなのか明確な定義が存在するわけではない.そもそもナノテクノロジーや,ナノマテリアルの定義さえはっきりしていないし,ナノテクノロジーの社会的影響が日本で何らかの活動として定着しているわけでもない.従って我々も試行錯誤を繰り返しながら,様々な関連活動を進めている段階である.ここではナノテクノロジーの社会的影響に関する動向の分析を行なうと共に,我々が現在進めている平成17年度科学技術振興調整費のプロジェクトを紹介する.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した\\偉人,怪人,異能,努力の人々(31)秩父セメント株式会社　初代から5代目までの社長,諸井恒年,大友幸助,諸井貫一,大友恒夫,諸井虔社長の苦労と栄光の奮闘記(1)諸井恒年社長
■著者
宗宮　重行