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世界でも例を見ない 高耐熱のリチウムイオン二次電池が登場 IoTデバイス用電源に最適な超小型セラミックス二次電池「EnerCera」シリーズ

社会課題の解決や業務の効率化を実現するためには、データの活用が必要不可欠だ。より効果的にデータを活用するには、あらゆる場所から収集しなければならないが、IoTデバイスを設置できる環境には限りがある。日本ガイシは、独自のセラミック技術を応用した超小型リチウムイオン二次電池「EnerCera」の高耐熱タイプのサンプル出荷を開始。世界でも例を見ない85℃でも使用可能だというこの電池の登場は、車載・産業用をはじめとした過酷な環境でのデータ収集へと応用が広がりそうだ。

日本ガイシ株式会社 執行役員 エレクトロニクス事業本部 ADC事業部長長 大和田 巌氏

日本ガイシ株式会社 執行役員 エレクトロニクス事業本部 ADC事業部長 大和田 巌

家庭やオフィス、工場、社会インフラ、さらには農地でも……より多くの場所でデータ収集できることは、IoTシステムによって価値ある情報を手中にする際のポイントの一つだ。「IoTデバイスの高度化を推進し、なおかつ設置できる場所をさらに広げていく新たな手法が求められています」と日本ガイシ執行役員の大和田巌氏はいう。

電子機器の一種であるIoTデバイスには、搭載するセンサーや無線通信機能などを動かす電源が不可欠。ただ、電源である電池の使用可能シーンが限定されているため、IoTデバイスをどこでも設置できるわけではない。また、何らかの機器や設備に取り付けるため、小型軽量であることが望ましい。ところが、近距離ではBluetooth LE、長距離ではLPWAでの無線データ伝送にできるだけの電力供給を確保しようとすると、どうしても電池が大型化してしまう。さらに、従来のリチウムイオン二次電池は、電極材料の成形に有機材料を使っており、寿命と耐熱性に不安を抱えている。IoTデバイスを大量設置するためには、生産しやすいことが望ましいが、一般に二次電池は組立工程で後付けするため工程にひと手間かかる。

「半固体電池」という解決策

IoTデバイスの利用を妨げる電源の使い勝手の悪さを解消する電池として開発されたのが、日本ガイシのチップ型セラミックス二次電池「EnerCera」シリーズである。既に、コイン電池と同様の形状の「EnerCera Coin」と曲げ耐性のある超薄型の「EnerCera Pouch」が量産されている。

EnerCeraは、動作原理そのものはリチウムイオン二次電池を踏襲しながら、正極に独自開発した結晶配向セラミックス電極板を使用した「半固体電池」という新しいコンセプトの電池である。正極活物質の結晶の向きを揃えて焼結したセラミックス材料に少量の電解液をしみ込ませ、電極内をリチウムイオンや電子が移動しやすくしている。

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これによって、小型・大容量で定電圧での出力が可能なリチウムイオン二次電池の特長と、大電流出力と電源ICを不要にする定電圧充電が可能なキャパシタの特長を両立。なおかつ、電極の成形に有機材料を使用していないため耐熱性が高い。そして、期待寿命が10年と長く、大量生産に向くリフローはんだでのプリント基板上への実装が可能である。まさに、IoTデバイス用として最適な電源だ。

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高耐熱化で広がるIoTの利用シーン

2019年12月、日本ガイシは動作温度の上限を従来製品の60℃から85℃へと高めた「EnerCera Coin」の高耐熱タイプのサンプル出荷を開始した。

高耐熱タイプでは、耐熱性が高い半固体電池を構成する材料をさらに調整することで、85℃の環境下で1000回充放電を繰り返した後でも、95%以上の容量を維持できるようになった。もちろん小型で大容量・高出力であるEnerCeraの特長は引き継いでいる。

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直径12mm、厚さ1.0mmの「ET1210C-H」、同20mm、1.6mmの「ET2016C-H」の2種類を用意しており、このうちET2016C-Hの公称容量は20mAh(2.7Vでの充電時)、エネルギー密度は90mWh/cc、放電ピーク電流は45mAである。

「EnerCera Coin」の高耐熱タイプの登場で、車載機器やFA機器、屋外使用の設備など過酷な環境下で利用する機器に、高度なデータ収集・伝送機能を付加できるようになった。例えば、「タイヤの空気圧センサーに路面状況を検知する機能を加えたり、車載ネットワークを無線化するなどの応用が広がると期待しています」(大和田氏)という。

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メンテナンスフリーの実現が視野に

あらゆる場所にIoTデバイスを設置するためには、電池交換も充電も不要なメンテナンスフリーの電源の実現が望まれる。さらに、耐環境性の向上も高めたタフな電源にする必要もある。

EnerCeraの大容量・高出力な特長は、光や振動、温度差など環境の中にあるエネルギーを電力に変えて利用する、エネルギーハーベスティング(環境発電)技術との相性が極めて良い。EnerCeraと環境発電を組み合わせて電源システムを構成すれば、長期間にわたってデータを送り続けるメンテナンスフリーの理想的IoTデバイスが実現する。通常、環境発電で得られる電力は、μWレベルの微小なものだ。そのままでは、無線によるデータ伝送には使えない。EnerCeraを使えば、常時微小電力を蓄積し、データを収集・伝送する際に数10mWレベルの電力を一気に放出できるようになる。

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日本ガイシは、EnerCeraのさらなる高耐熱化にも取り組んでいる。車載用でも、エンジンルームなどからデータを取得するIoTデバイスには、105℃や125℃で動作する電源が必要になるからだ。

 IoTやAIの産業利用を考えるエンジニアの中には、現状のIoTデバイスで得られるデータから抽出可能な情報の価値に限界を感じ、「本当はもっと過酷な環境でデータを収集したい」と考える人は多いだろう。EnerCeraは、継続的データ収集が不可能だった場所の情報を知るための手法として、極めて有用な技術だといえる。現在、日本ガイシは、半導体メーカーなどと共同で具体的な利用シーンを想定しながら、EnerCeraと環境発電を組み合わせたIoTデバイスの設置を広げる電源ソリューションの実証実験に取り組んでいる。

「EnerCeraは、IoTデバイスの利用シーンを拡大し、より価値の高いデータの収集を可能にするIoTデバイス用電源のイノベーションです。日本ガイシは、EnerCeraをフル活用した新しい応用、新しいビジネスの創出を支えていきます」と大和田氏は力強く話した。

「EnerCeraCoin」の高耐熱タイプ

電源IC回路基板へ実装された、85℃で使用可能な「EnerCera Coin」の高耐熱タイプ

日本ガイシ株式会社

EnerCeraについてのお問い合わせ

エレクトロニクス事業本部 電子営業部 TEL052-872-7935 https://www.ngk.co.jp/