2017年9月1日付けでソニーより電池事業を引き継ぎ、福島県郡山市でリチウムイオン2次電池の生産を行っている村田製作所。東北村田製作所に属する郡山事業所の歴史は古く、約30年ほど前の1991年、世界で初めてリチウムイオン2次電池の量産を開始した工場としても知られる。なぜ、村田製作所は同工場でリチウムイオン2次電池の生産にこだわるのか。同社はこのほど、同工場でのリチウムイオン電池の生産の様子などを公開したが、そこで見た取り組みから同社の目指す電池事業の姿を考えてみたい。

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    福島県郡山市にて1975年に設立された郡山事業所。世界で初めてリチウムイオン2次電池の量産を行った工場としても知られる

燃えないリチウムイオン2次電池を製造

村田製作所は、電池事業を蓄電事業の片翼としており、もう片翼のパワーコンディショナ(パワコン)の事業と併せる形で、社会貢献を目指してきた。「一日持たなかったスマートフォン(スマホ)の電池が数日持つようになったり、電気製品の電源コードがコードレス化したり、家庭用、産業用の区別なしに、蓄電池を通じて社会に貢献してきた。世の中で環境問題に焦点があたるにつれて、電池市場は拡大してきたが、その一方で、国際的な競争にさらされる状況になっている。そうした市場環境の中で、我々の電池を欲してもらえる顧客が求める品質や性質を達成することをポリシーとしている」と、東北村田製作所の西田吉宏 事業所長は自社のスタンスを説明する。

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    村田製作所の電池事業について説明を行った東北村田製作所の西田吉宏 事業所長

そんな同社の蓄電事業は、安全性をもっとも重視してビジネスを行っているという。これは、旧ソニー時代の2009年にオリビン酸リン酸鉄リチウムイオン電池「FORTELION」を実用化したことが大きく関係している。

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  • 郡山事業所では、さまざまな形状のリチウムイオン電池が生産されている

リチウムイオン電池を実現する材料は正極、負極、電解液などの各コンポーネントにいろいろな材料が用いられているが、一般的なリチウムイオン電池は、正極がリチウム、コバルト、酸素のレイヤ構造で、その構造上、過充電時に発生した熱により構造が崩壊し、酸素が放出されて、それにより熱暴走が加速、さらに構造が崩壊し、酸素が放出というスパイラルに陥り、やがて発火に至る。一方、オリビン構造はリンと酸素が強固に結合するため、過充電時に熱が上がるが、リンが酸素を保持することで構造が安定的に維持されるため、発火には至らない、という特徴がある。

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    リチウムイオン電池の組立工程フロー

ただし、ほかの正極と比べ、エネルギー密度が低い、という弱点があるため、リチウムイオン電池が多く用いられるコンシューマ用途などには向かないというデメリットもある(そのため、同工場でも三元系などほかの正極材料を用いたリチウムイオン電池の製造なども行っている)。しかし、発火しないほか、構造が安定していることによる長寿命というメリットから、主に業務用蓄電池であったり、非常用電源、瞬停に対するリスク低減などの用途で活用されており、2019年6月には家庭用蓄電システムの販売も開始した。

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  • 2019年6月より発売された太陽光発電対応の家庭用蓄電池システム。FORTELIONを搭載した約600kWhのモジュールを4つ搭載することで、2.3kWhの電池容量を実現。もう少し容量を増やしたいという人向けに外部接続で3.5kWhを増設可能なユニットも提供されている

「郡山事業所は設計・開発拠点でもあるため、各種の安全性試験も行う施設も整っている。安全に使うためのテストは必須で、かなり想定外のような状態も想定してテストを行っている。村田製作所としても、各種材料についての知見があり、安全性試験の仕組みを通じて、顧客に最適な電池の紹介や、正しい電池の使い方のアドバイスなども行っている」(村田製作所 モジュール事業本部 エナジーシステム統括部 統括部長の高野康浩氏)とのことで、自動車のブレーキ用補助電源など、安全性が重視されるアプリケーションへの提案なども積極的に進めていきたいとしている。

実際、今回の工場公開においても、リチウムイオン電池に釘をさして短絡させ、発火するかどうかの試験が公開されたが、三元系の正極材料では発火、最大400℃程度まで温度が上昇したものの、オリビン酸リン酸鉄系の正極材料では100℃を超すところまでは上昇するものの、発火せずに、安定した状態を保つ様子を見ることができた。

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  • 電池の横腹に釘を貫通させる試験。左側がFORTELIONに釘を刺した直後(上段)と、熱が収まった後(下段)の様子。右側が三元系のリチウムイオン電池に釘を刺した直後(上段)と熱が収まった後(下段)の様子。三元系の方は、写真では300℃を超えているが、その後400℃まで到達。電池は無残にも焼け焦げた姿となったが、FROTELIONの方は100℃を超えたものの、酸素の供給がないため燃えず、電解液が飛び出る程度で収まっていることが分かる

三元系リチウムイオン電池への釘刺し安全性試験の様子。釘が貫通した直後に火が吹き出していることが見てとれる

FROTELIONへの釘刺し安全性試験の様子。釘が貫通しても三元系とは異なり、火が出ないことが見てとれる

村田製作所がこだわる安全性と品質の高さ

今回、同社は上述したような安全性試験のほか、セルの製造工程も公開した。簡単にリチウムイオン電池の製造手順を説明すると、正極と2枚のセパレータを組み合わせ、その最外周に負極を巻きつけ、電解液を充填。その後、収縮チューブを外周に取り付けて、充放電の試験を行えば完成、といったものとなる。外周にチューブを取り付けるのは、缶全体が負極であるため、絶縁しないと、外部ショートを引き起こす可能性がでてくるためだという。

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    電池セル製造の様子。基本的には自動化されており、ラインを次々と電池セルが完成に向かって流れていく

また、充放電工程だが、電池によるが7~14日かけて充電、エージング、加湿エージング、放電、エージングといった作業を行い、その都度、開回路電圧(Opne Circut Voltage:OCV)測定を5~7回行い、電池特性をチェック。不良品の判定を行っている。「1本ごとの電池特性にバラつきが少ないのが我々の強み。通常リチウムイオン電池は4~16本のセルを組み合わせて使うが、バラつきがあると、性能が低下する要因となる」と、品質へのこだわりを強調する。

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  • 充放電エリアでの作業の様子。256本のリチウムイオン電池を積んだトレイごとにバーコードでロット管理されている。OCV測定のための装置は複数台存在し、大量生産を支えている

ちなみに、この測定はほぼ全自動で行われており、作業員が16本×16列(合計256本)に敷き詰められたトレイを検査ラインに投入すると、後は自動的に各種検査ならびに、保管庫での充電、OCV測定がロボットなどを活用する形で無人で進められていく。また、各電池の充電情報は、充電時に電圧計測を同時に行い、それをサーバに集約することで、どのロットのどの電池が不良(電圧が上がらない、急激に電圧が下がるなど)であるのかを安全に把握することができるような仕組みも構築されている。

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    リチウムイオン電池の充電エリア。よく見ると、「3号 クレーン」と書かれたプレートがあるが、電池はトレイごと棚の間に設置され、そこで同社がクレーンと呼ぶ搬送ロボットにより、指定された棚に収められ、そこで充電が行われる

最後は、完成品を外観検査装置と目視の組み合わせた最終検査を行い、箱詰めされて出荷される。リチウムイオン電池の最大サイズである26650の場合、1箱25本詰めとなるが、「数えやすいことと、人が扱うのでハンドリングしやすいサイズを意識した」と、箱1つとっても工夫を施しているとする。

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    最終の外観検査と梱包を待つリチウムイオン電池

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    目視による外観検査の様子。外観検査装置は電池のトップとボトムの状態をチェック、側面を人間の眼で確認という流れになっている

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    箱詰めされて出てきた状態。箱のサイズは片手ほどの大きさで、ハンドリングのしやすさからこの大きさとなったという

コンテナ型メガワット級蓄電システム

家庭用にも蓄電池の提供を開始した同社だが、先行して産業向けにさまざまな蓄電システムの提供を行ってきた。今回、同社は郡山事業所にほど近い電極工程を担当する本宮工場に設置されたメガワット級の電池容量を搭載可能なコンテナ型蓄電システムも公開した。

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  • デモ用のコンテナ型蓄電システム。その後ろに見えるのが電極工程を担当する本宮工場

これは2018年2月より提供を開始したもので、デモで公開されたコンテナには、2.1kWhのハーフワイド4Uサイズの蓄電池モジュールが2並列9直列構成で19インチラックに収められており、それが14ラック設置される形で、約0.5MWhの蓄電池と、それを制御するためのパワコンが備えられていた。コンテナサイズは40ftとのことで、ここに詰めるだけ詰め込むと1台あたり1MW程度の電池容量を積むことができるとのことで、本宮工場にはバックアップ電源用途として10台が稼動しているとするほか、ここ数年は国内顧客からはNAS電池の置き換え需要などを中心に1MW級の注文が伸びているとのことであった。

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  • デモ用のコンテナ型蓄電システムの内部。19インチラックの中に蓄電池モジュールとそれらを管理するバッテリーマネジメントユニット(BMU)が備え付けられている。コンテナ入り口の白い箱状のものは明電舎製のパワコン

オリビン酸リン酸鉄系という、燃えないという特徴を持つ安全なリチウムイオン電池は安心や安全が求められつつも電力も必要とする場所に打ってつけと言えるだろう。事実、同社も「コモデティ化する市場は投資競争になり、中国勢の投資の仕方を見ていると、追従すべきではないと思っている」としており、安心・安全という特性を生かせる新市場を狙っていくとするほか、「電池は産業のコメの1つ。村田製作所の中核を担う1事業になるように育てていきたい」と意欲を示す。また、「村田製作所に移ったことで、ソニーでは業態が被ってしまい声をかけづらかった顧客も獲得できるようになった」とのことで、中長期的な視点で積極的に電池事業そのものの展開を図っていきたいとしていた。

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    屋内設置型の電力・産業向け電池盤。上段が透けているのはあくまでデモ用。一般的には前面が扉になっており、それを空けるとメンテナンスができる、という仕組みを採用する顧客が多いとのこと