電気自動車(EV)に欠かせない「リチウムイオン電池」。テスラとパナソニックによる巨大電池工場が操業するなど、高性能の電池の開発に各国がしのぎを削っている。)」を訪ね、リチウムイオン電池の未来を取材した。「2030年までに1回の充電でガソリン車並の走行性能を実現する蓄電池を作る――。J-PARCは、世界最高レベルの陽子加速器を備えた実験施設群だ。同規模の加速器はここを除けばヨーロッパ、アメリカにあるが、世界的にも数少ないという。その加速器で陽子を光速近くまで加速したプロトンビームを利用して、さまざまな量子ビームを生成し、先端科学研究に利用。2015年にノーベル物理学賞を受賞した「ニュートリノ振動」の研究にも関わっている。敷地はおよそ65万平方メートル、東京ドーム14個分と広大。取材班も正門から施設まで車で移動した。敷地内は静寂に包まれ、一見何の変哲もない簡素な建物が並んでいるのだが、直径500mの陽子加速器などの加速器や実験施設、21本の中性子ビームラインと各種実験装置が随時稼働しているという。最新科学のほか、新材料や創薬開発などにも貢献している。セラミックス電池の研究にも一役を買った「蓄電池開発の最先端」を支える研究施設だ。米村准教授はこの施設の蓄電池研究専用ビームラインの責任者であり、国内最先端の電池研究を担う一人である。SPICA(スピカ)」だ。SPICAは、中性子ビームを電池材料などの機能性が高い物質に照射して、その物質の原子配列や構造などを分析できる装置だ。研究者はこの装置を使い、電池材料や電池そのものを測定し、新たな材料の開発や電池の特性の改善に向けた分析を行っている。2009年から3年の歳月を経て建設されたSPICA(イメージ図)。直径4m、中心部に対象物を設置し、加速器によって作り出された中性子がビームラインから装置へ発射される「日本は蓄電池開発に力を入れています。現在、市販されているEVの走行距離は、カタログスペック上では280km程度である。実走距離は条件によって変わるため短くなることが知られている。この「革新電池」が実現すれば、電池の価格はより安価になるうえ、航続距離が500km程度に延長。EVがガソリン自動車と肩を並べるようになると期待されているのだ。右に設置されているのがSPICA本体。高さ10mほどの実験施設内に案内されると、そこにあったのは四方5mほどある巨大な青い壁。中性子を閉じ込める遮蔽体だ。SPICA本体はその壁面内部に設置されており、取材当日も稼働中だった。大きな稼動音を想定していたが、物音はほとんどしない。装置を内包する青い外壁の周囲には、大型計算機が置かれ、稼働中は全ての観測データを自動で蓄積しているという。実験室内部は、中性子ビームの照射部を含めて全長60mほど。青い壁の内部には稼働中のSPICAが設置されている壁面に沿って回り込み奥をのぞくと、その先には中性子を飛ばすための合計52mものビームラインが伸びていた。実際の電池反応を解明するためには、短時間でより多くの中性子を試料に照射させ、そこから生じる中性子のわずかな変化を検出できる高い識別能力が必要だという。そのため、52mという長いビームラインが必要であったのだが、あまりにも長いために既存の実験施設に収まりきらず、新しい建物を増設してこの装置は設置された。高さ約3m、直径約4m。本体の中心に蓄電池を置いて測定するこのSPICAの大きな特徴は、“非破壊”かつ“動作環境下”で測定する「オペランド測定」という方法で実際の電池内部で起こる反応を観測できる点だ。これまで電池内部で起きている現象を観測するためには、使用前と使用後の電池を分解し、それぞれの電極を取り出して測定し、比較、分析して、前後の変化から電池を使用している間に電池内部で何が起きているのかを推測していた。電池反応はそれほど単純なものではなく、実際には何が起きているのかを完全には理解できていなかった。「電池というのは、まだ“ブラックボックス”となっている部分があります。多くのEVに搭載されているリチウムイオン電池は、おおまかに正極と負極の材料(素材)、リチウムイオンが電極間を移動するための電解液で構成されている。電池内部では、リチウムイオンが正・負極間を行き来し、充電と放電という電気を蓄積する反応と電気を放出する反応が起こり、電池として動作。リチウムイオンが電極間を移動することで電極材料がどのように変化するのかが、電池の性能に影響するという。これまで、使用前・後の電極などを観測して、変化の前後は分かっていた。SPICAを活用すると、これまで見えていなかった“使用中”、つまり「変化している過程」を観測でき、最初の状態から最後の状態にどのように行き着くのかを解明できるようになる。その変化を詳細に解析すれば、現在の蓄電池の改良に役立ち、次世代蓄電池の開発研究が飛躍的に進むと考えられているのだ。SPICAで検出できるデータの一部。未来の電池誕生のため観測を継続中SPICAの活用で実績も挙がっている。らによって「リチウムイオン蓄電池の高容量化実現につながる正極材料」の発見がなされた。藪内准教授らは2015年度までに、これまで正極材料に使われてきたリチウムマンガン酸化物などより、元素の一つであるニオブを用いればはるかに多くのエネルギーを生み出せることを確認していた。そこでこのニオブをSPICAなどで構造解析して分析。この材料を使えば、計算上では現状のリチウムイオン電池の約2倍のエネルギー密度が得られることが判明している。ビームを大面積検出器で検出した際に、検出した位置や時間の情報を記録すると共にLEDの点滅で知らせるようになっている筒状の部分に観測対象である電池を設置して、SPICA本体に入れるための試料交換機器。高エネルギー加速器研究機構と地元の中小企業が共同で製作した「こうした電池内部に用いられる新素材の発見は、次世代リチウムイオン二次電池の誕生にもつながるかもしれません。先ほど話した『革新電池』になりうる蓄電池候補を絞り込んだRISINGプロジェクトは2016年3月で終了しました。II)が始動しています。日本が革新的な電池を生み出すため――。SPICAは民間企業や大学などの研究機関が新たに開発しようとしている電池のために、きょうも観測を続けている。幅広い分野の最先端研究を行うための陽子加速器群と実験施設群の呼称。トンネル掘削技術の粋を集めた地中送電線シールド工事クルマは電気で走る時代へ。特集フォーミュラE開催からZEVの普及へ。「VPP(バーチャルパワープラント)」を3分解説!クルマは電気で走る時代へ。