リチウムイオン電池は小型で軽量でありながら従来のニッケル水素電池（１．２Ｖ）を凌ぐ高い電圧（３．７Ｖなど）と充放電効率（９０％程度）をもつ革新的な二次電池だ。２０５０年カーボンニュートラルに向け、再生可能エネルギーを夜も無風時も有効に活用するには、系統用蓄電池が必須であることは否めない。蓄電池が重宝される理由はその効率の高さもあるが、スイッチ一つで瞬時に充放電できる特長にもある。今回から３回、系統用蓄電池をめぐる話題を取り上げる。初回は蓄電池の劣化評価の必要性について考える。


　リチウムイオン電池（以下電池）は正極と負極の組み合わせで、電圧や容量などの特性が異なる。電池の容量にＡｈ（電流の時間積算）が用いられるのは、電圧が電池の種類によって異なることに由来する。そのため、どの種類の電池を採用するのかは重要なポイントである。

　とはいえ、市販されている電池は４種類程度である。その中でも、マンガン系と呼ばれる比較的高電圧の電池、リン酸鉄の比較的安全性の高い電池が蓄電池を用いたエネルギー貯蔵システム（ＢＥＳＳ）に採用される傾向にある。ＢＥＳＳの火災事故が顕在化しつつあるため、近年はリン酸鉄系電池を採用したＢＥＳＳが主流となっている。電池の正極は多くは酸化物構造であるが、リン酸鉄はその化学構造上、熱暴走の引き金となる酸素を放出しづらい特性を有しているためである。

　◇充放電で電圧変化

　電池の評価研究においては、「容量」といえば、「Ｗ」ではなく「Ａｈ」である。「Ｗｈ」を用いることもあるが、充放電に伴って電圧が変化するため単純な掛け算（Ａ×Ｖ×ｈ）で正確に見積もることも実は難しい。

　また、蓄電池といえば「セル（単電池）」を思い浮かべる。ところが、系統電力側にとっては、蓄電池は「セル＋交流出力ＰＣＳ＋補機」のはるかに大きな箱のことであり、その箱の性能が重要で、無事に動きさえすればその中のセルが何であるかは気にしないで使う。

　例えばコンテナの蓄電池設備でよく使われる低圧４００Ｖの電気を出力したいとなると、１個３．２Ｖの電池を１２５個直列に繋げる（４００Ｖ／３．２Ｖ）ことで得られる。そしてエネルギーとして電気を貯めるには、その直列セットを並列して電池の数を稼ぐことで、巨大な蓄電容量（Ｗｈ）を達成する。

　５０ＭＷ、３時間容量のＢＥＳＳだと、１００Ａｈのセルが最低でもおよそ５０万個の１個１個がシステムを支えている。系統用蓄電池として使われるセルの膨大な数を考慮すると、やはりセルの性能にもっと注意を払ってもよいのではないか。

　ところで、セルの数に「最低でも」と述べたのは、商用ＢＥＳＳには容量保証という観点が登場するからである。電池は使用していくとその電池が元々もっていた容量が減少し、抵抗も高くなり、劣化する。

　◇運用の収益向上へ

　ＢＥＳＳを１０年以上確実にかつ十分に使用するために、将来の容量減少と抵抗増加を見越して、あらかじめ多くのセルを搭載することが多く、この余剰分はコスト増となる。ＢＥＳＳを効率良く、収益性高く運用するためには、蓄電池の寿命や劣化挙動を正確に把握することが非常に重要になってくる。

　市販されるセルには製造上の歩留まりがあり、特性のばらつきは避けられない。各セルの故障率が上がると、システムの全体的な動作に影響する。場合によってはセルの発火・破裂、熱暴走、類焼によるシステム火災に至ってしまう。

　製品のばらつきを包括した上でそのセルの持つ特徴を正しく抽出するために、セルの容量低下の推移と適切な電流パターンや温度特性を調べ、劣化試験を実施することでセルの性能を評価し、劣化因子を探索する。特に、運用中のＢＥＳＳの寿命を見積もるには、運用データによる統計的解析が必要であり、そのためには、ベースとなるセル単位でのデータ蓄積が不可欠である。どの種類のどのメーカーの電池を使い、いかに劣化（性能低下）を抑えるか。電池によっては不得意な運転レートや電流パターンがあるため、用途に応じた適切な電池を選択し、劣化を抑制した運用条件を設定することが極めて重要となる。

　次回は電力中央研究所の蓄電池（セル）評価研究について紹介する。

電気新聞２０２６年９月２８日