トヨタのバイポーラ型ニッケル水素電池は何が凄いのか、リチウムイオン電池・全固体電池と比較

技術系読みもの

2021年式アクアに搭載されるバイポーラ型ニッケル水素電池。

これまでトヨタのハイブリッド車に用いられてきたニッケル水素電池と何が異なるのか、リチウムイオン電池と比較して良いのか悪いのか、全固体電池との違いは何か、など疑問が沸き上がる。

言葉を選ばず簡単に言うと、トヨタがHEV用電池に未だ使っているニッケル水素電池を、より省スペースでたくさん積めるように工夫したもの、といえる。

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ニッケル水素電池とは

そもそもニッケル水素電池とは何なのか。

身近なニッケル水素電池の例として、充電して繰り返し使用できるエネループなどが挙げられる。正極の水酸化ニッケルが約0.5V、負極の水素吸蔵合金がマイナス0.7Vで1.2Vの電圧を発生する。

ニッケル水素電池は、長くトヨタがハイブリッド車用のバッテリーに採用してきた電池で、1997年発売の初代プリウスから採用されてきた。ただ近年、他社の車載電池の主流はリチウムイオン電池に移り変わっている。

バイポーラ型とは

「バイポーラ型」とは、2つの電極を合体させた電池を指す。

バイポーラ型を例えるならば、乾電池を切り開いて板状にして重ねたものに近い。見て分かるように非常にコンパクトになる。

通常の電池との違いは大きく2つ。

①セルを接続するコネクタが不要

従来型でセルを繋いでいるのがコネクタ

セル間の接続は、セル間をコネクタなどで接続するのではなく、セル同士を直接接続する。これにより、電流経路が短くなる、構造簡易化によりコスト低減、エネルギー密度の向上が期待できる。

②電極が1枚で済む

通常の電池は正極と負極、それぞれに電極板があり電子を出し入れしているが、バイポーラ型は1枚の電極板の両面に電極活物質を備えている。

構造の簡素化が可能で、コスト削減と高エネルギー密度化が可能となる。

このバイポーラ型の特許は6月末現在で、出願中も含めて約540件、うち豊田織機単独が約340件、トヨタ単独が約70件、織機が開発のメインを担っている事が分かる。

バイポーラ型はニッケル水素に限った話ではなく、ナトリウムイオン電池やリチウムイオン電池にも応用されている。

ニッケル水素電池のメリット

そもそも、ニッケル水素電池のメリットとして、以下が挙げられる。

・安全性が高い

・耐久性に優れる(サイクル寿命が約3000回と長い)

・リチウム・コバルトを使わないことから調達リスクが少ない

信頼性に重点を置くトヨタは、安全・耐久性のメリットのためにニッケル水素電池を継続して採用してきた。

また、バイポーラ型とすることで、重量エネルギー密でもリチウムイオン電池に匹敵するものになりつつある。

デメリット

ニッケル水素電池のデメリットとして、以下が挙げられる。

・同じ電圧を得るためには、リチウムイオン電池よりもセル数が必要

・急速充電や急加速の性能でリチウムイオン電池に劣る

更に言えば、バイポーラ型のニッケル水素電池は、通常のニッケル水素電池よりもコストが高い。アクアにおいても廉価グレードにはリチウムイオン電池を採用している。

ニッケル水素電池VS他電池性能

電池単体での重量エネルギー密度(各社発表値情報を元に当サイトが作成)

トヨタ自動車はバイポーラ型の重量エネルギー密度を公開していない。性能を推算するために、従来のニッケル水素電池の重量エネルギー密度100Wh/kg程度に対して「1.4倍のエネルギー密度を達成した」との発表を加味し計算した。

車載用の一般的なリチウムイオン電池に対して、バイポーラ型ニッケル水素電池は重量エネルギー密度で劣っている。当然、全固体電池には程遠い。

一部でバイポーラ型ニッケル水素電池の体積エネルギー密度がリチウムイオン電池を超える1000Wh/Lという報道があるが、誤報であるので注意が必要。

トヨタの技術者は「同じ体積のリチウムイオン電池パックと比べて25%の容量増を達成できた」と話していることから、電池単体ではなくパックとしてリチウムイオン電池を上回る性能を達成したものと考えられる。

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アクアに投入されたニッケル水素電池の性能

以下に、バイポーラ型の電池モジュールの概要を示す。

従来バイポーラ型
セル数120枚168枚
総電圧144V201.6V
セル電圧1.2V1.2V
電流6.5Ah5.0Ah
モジュール数67
ニッケル水素電池の性能

バイポーラ型に変更されたことで集電体構造が簡素化し、搭載セル枚数を向上させている。セル枚数が増えることで総電圧が上がり、同じ昇圧器でも高電圧が得られるようになっている。

搭載枚数変化のイメージ

新型アクアの場合、リチウムイオン電池を搭載するヤリスハイブリッドと同じスペースに電池を搭載する。電池容量はヤリス0.74kWhに対して、アクアは1.0kWhの電力量を搭載しており、スペースに対して多くの電池を搭載できるようになっている。

まとめ

バイポーラ型ニッケル水素電池の利点は以下のものが挙げられる。

・安全性耐久性に優れる
・リチウム、コバルトフリーで調達課題小
・ニッケル水素のエネルギー密度課題を改善

一方で、急速充電性能やエネルギー密度でリチウムイオン電池に劣る、コストが上がるなど、本流の技術とは言い難い。

一方で、CATLのナトリウムイオン電池と同じく、ビッグプレイヤーがリスク回避のために持って置く技術の一つとしては重要な位置にいるといえる。

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