【戦略テーマ重点タイプ】
研究開発テーマ：エネルギーの有効利用を支える次世代定置用蓄電技術の創出
プログラムオフィサー：金村 聖志（首都大学東京 大学院都市環境科学研究科 教授）
研究開発テーマ概要
温室効果ガスの1つである二酸化炭素の削減は喫緊の重要課題です。エネルギーの安定供給と環境配慮の両立を目指しながら二酸化炭素を削減するには、自然エネルギーやバイオマスなどの新しい再生可能エネルギーの社会実装が必要です。自然エネルギーを現実社会に大量に導入するには発電設備の問題もありますが、電力の安定化も重要な課題となっています。そのために、蓄電池、キャパシタ、燃料電池・電解複合システムなどが、今後の自然エネルギー導入の鍵を握っています。これらのデバイスは電気エネルギーを化学物質のエネルギーに変換する、あるいはその逆のエネルギー変換を高いエネルギー変換効率で行う機能を持ち、発電システムと送電グリッドの中間に位置することで自然エネルギーを安定化させるとともに有効利用する役目を担っています。すでに、リチウムイオン電池や鉛蓄電池が定置用エネルギー変換デバイスとして使用されています。しかし、普及のために解決しなければならない問題が残っています。それは、リチウムイオン電池の場合には安全性と寿命であり、鉛蓄電池ではエネルギー密度と寿命です。本テーマでは、これら具体的な問題点を解決するための新規エネルギー変換デバイスやそれらを実現するための新規材料の開発を推進し、定置用電気化学エネルギー変換デバイス構築のための材料技術と電池技術を確立します。あわせて、電気化学エネルギー変換デバイスに関する基盤学術の進展も目指します。
| 課題名 | 概要 | ＰＬ※１ | 企業責任者 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 研究責任者 | |||||
| カリウムイオン電池およびカリウムイオンキャパシタの基本技術開発 | これまで蓄積してきたリチウムイオン電池およびナトリウムイオン電池の研究成果と技術を礎として、自然エネルギー発電やスマートグリッドに適用する電力貯蔵用定置型蓄電デバイスを目指して、カリウムイオン電池およびカリウムイオンキャパシタを開発する。これらのデバイスは、従来のリチウム系デバイスよりも低コストかつ長寿命になることが期待される。 | 武内 正隆 | 昭和電工株式会社 先端電池材料部 横浜開発センター | センター長 | |
| ○ | 駒場 慎一 | 東京理科大学 | 教授 | ||
| 太陽光発電の高効率化を可能とする新型キャパシタの開発 | 太陽光パネルから生成される発電量の最大活用を目指し、従来の太陽光発電システムに新規キャパシタを組み合わせた新システムの社会実装に向けた基礎研究と実用化に必要な要素技術の検討を行う。新規キャパシタは材料レベルから開発し、太陽光発電の受入性能を持ちながらも大容量高電圧の特性を示すなど、無駄なく蓄電する太陽電池システムへの適用性が高く、太陽電池システムの更なる高効率化に寄与する。 | 玉光 賢次 | 日本ケミコン株式会社 研究開発本部 基礎研究センター | センター長 | |
| ○ | 直井 勝彦 | 東京農工大学 | 教授 | ||
| 超高エネルギー密度、本質安全および長寿命な鉄－空気二次電池Ｓｈｕｔｔｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙの開発 | Ｓｈｕｔｔｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙは鉄と空気で電気エネルギーを発蓄電する高エネルギー、安価な蓄電池であり、主要材料は全て耐火物で本質的に安全である。ラボ試験において２００サイクル（ＤＯＤ※２１００％）経過後容量低下無しという優れた寿命性能を示した。本申請ではＳｈｕｔｔｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ事業化のための重要課題として、長寿命化、高出力化技術の開発に取り組み、５０ｋＷｈ実証モジュールを試作する。 | ○ | 塚本 壽 | ＣＯＮＮＥＸＸ ＳＹＳＴＥＭＳ株式会社 | 代表取締役 |
| 岩井 裕 | 京都大学 | 准教授 | |||
※１ ＰＬ：プロジェクトリーダー（研究課題の研究代表者）
※２ ＤＯＤ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：放電深度）：二次電池の放電容量に対する放電量。全て放電する場合を１００％とする。
＜プログラムオフィサー総評＞
二酸化炭素の削減には電力の有効な利用や自然エネルギーの大量導入が必要となります。高効率に電力を利用するにしても、自然エネルギーを導入するにしても、安定に電力を使用するには、電力を入出力できる蓄電デバイスが必要となります。本プロジェクトでは定置用の大型の蓄電池やキャパシタあるいは燃料電池・電解システムに関する研究開発を行います。学術基盤を構築しながら新しい機構を持つデバイスや新材料による新型蓄電池などに関して研究開発を推進します。そのためには、蓄電池や燃料電池・電解システムあるいはキャパシタなどの事業を目指している企業と大学が持つ学術基盤の融合が求められます。
今回の公募を行い、イオン電池系、キャパシタ系、燃料電池・電解系などの新規性に富む１１件のご応募を頂きました。審査にあたっては、産業界・アカデミアからなる全７名のアドバイザーの協力のもとに、書面審査と面接審査を行いました。応募頂いた提案はいずれも意欲的な研究でしたが、研究開発テーマ・目標・計画・研究開発体制の妥当性、産業創出のインパクト、採択課題全体のバランスなどの観点から慎重に審査を行い、最終的に３件の提案を採択させて頂きました。残念ながら、今回は不採択とさせて頂いた課題にも、素晴らしい可能性を含む提案がありましたことを、ここに特記させて頂きます。
今回、蓄電池、キャパシタ、燃料電池・電解システムの三種類のエネルギーデバイスに関する提案を採択することができました。蓄電池と燃料電池・電解システムに関してはこれまでにない新しい系であり、キャパシタに関しては自然エネルギーの有効利用を具体的に進める段階の提案であります。それぞれのテーマでステージは異なりますが、どのテーマも実現すればインパクトのある内容であります。
採択された研究開発課題については、研究開発チーム間の連携、情報共有を推進し、アドバイザーの先生方の支援も得て、テーマとしての成果最大化を図っていきます。大学の学術基盤を基本にしながら企業にも積極的に開発を進めていけるようにプロジェクト全体で協力して研究開発を推進し、具体的な展開ができることを期待します。
【産業ニーズ対応タイプ】
技術テーマ：セラミックスの高機能化と製造プロセス革新
プログラムオフィサー：目 義雄（物質・材料研究機構 特命研究員）
技術テーマ概要
セラミックスはさまざまな優れた特性を持ちながら、高価であることや突然の破壊・割れの発生する場合があることが、普及を妨げています。こうしたことから、セラミックスの複雑な製造工程や高温焼成によるエネルギー多消費、製品の内部構造の不均一性に起因するこれらの課題の抜本的な解決と更なる高機能化が求められています。
本技術テーマは、原料粉の合成から後加工までセラミックス製造工程全体を見直して上記欠点を克服する基盤技術を基礎科学に立脚して確立し、製造プロセスのブレークスルーを目指します。これにより、製品の競争力向上や従来品の機能を凌駕するさまざまな特性を実現すると共に、新たな用途の可能性を検討し、優れた特徴を持つセラミックスを社会に広めることを目指します。また、企業での製造に直結することを念頭に、原料粉の製造・成形・焼結・後加工までの製造技術全体を見通し、目視と勘と職人芸に頼る部分を廃し、科学的な観点から生産性の向上と機能向上のための「技術の体系化」に挑戦します。
| 課題名 | 概要 | プロジェクトリーダー | ||
|---|---|---|---|---|
| セラミックスプロセスチェーン最適化を目指した構造形成過程のリアルタイム３次元ＯＣＴ観察法による理解とその制御因子の科学的解明 | 光コヒーレンストモグラフィーを用いたセラミックスプロセス中の構造形成過程のリアルタイム３次元観察による理解と、粒子界面設計およびマスターシンタリングカーブを基軸として構造形成過程の制御因子の科学的解明を行い、セラミックスプロセスチェーンの最適化を目指す。得られた成果を活用して、具体的なセラミックスとして透明体、配向体、積層体を実現する。 | 多々見 純一 | 横浜国立大学 | 教授 |
| セラミックス粉体の超微粉砕技術の確立と革新的粉体プロセスの開発 | セラミックスの品質向上とコスト低減の基盤である超微粉砕の制御技術は、いまだに確立されていない。そこで、粉砕時の媒体ボールなどの運動状態のシミュレーションによって実験結果を解析し、粉砕限界粒子径、凝集粒子形成を支配する制御因子を体系的に明らかにする。また、この解析ツールを用いて不純物混入を抑制する粉砕方法や高品質のコロイド調製技術を提案し、粉砕技術の新展開として非加熱のナノ粒子合成プロセスを開発する。 | 加納 純也 | 東北大学 | 教授 |
| 非鉛圧電配向体の焼結しない低温作製法の確立 ～ＩｏＴセンサーおよびエネルギーハーベスター応用に向けて～ | サブミリメートル厚さの非鉛圧電配向体を、水熱法を基にしたプロセスにより焼結することなく、ＫやＮａ成分などの熱揮発を生じることなく作製する。センサーや発電機の性能指数を結晶配向性と材料組成の制御によって最大化し、高性能圧電材料の利用を通じて環境にやさしい非鉛圧電体を用いたＩｏＴセンサーおよびエネルギーハーベスター応用を目指す。 | 舟窪 浩 | 東京工業大学 | 教授 |
| フラッシュ焼結の学理構築と革新的焼結技術への展開 | 強電場を印加することで、大気中無加圧下で低温・短時間焼結を実現する新たな焼結法であるフラッシュ焼結を確立させ、セラミックス焼成プロセスの革新的省エネルギー化を達成するとともに、接合技術の開発を行う。粒界・界面の先端ナノスケール計測と理論計算シミュレーションを連携させて強電場下の素過程を解明し、フラッシュ焼結の基礎学理を構築するとともに、産業展開のためのプロセス設計指針を示すガイドラインを整備する。 | 山本 剛久 | 名古屋大学 | 教授 |
| セラミックススラリーの新規分散評価技術を中心としたスラリー特性の完全定量化による湿式成形プロセスの高度化 | スラリー中の粒子分散状態を的確に評価できる簡便・安価な方法および装置を開発する。粒子間相互作用の直接測定法および新規シミュレーション法との融合により、勘と経験によらない最適スラリー調製を実現する。さらに微粒子の良分散・高濃度スラリー調製を可能にするスラリー高濃縮装置を開発し、セラミックス成形プロセスの高度化に貢献する。 | 森 隆昌 | 法政大学 | 教授 |
| ナノブロック高次秩序化による配向性ナノ構造体の開発と表面ドーピングによる高機能化 | 各次元の高比表面積ブロックとして２次元シート、１次元ニードル、０次元粒子を合成し、高次秩序化により配向性ナノ構造体を開発する。ナノブロックの表面ドーピングにより表面電子物性などを変調し、高機能化・高活性化を図る。特に、常温、常圧、水溶媒での自己組織化により、産業基盤部材となる高比表面積・高活性ナノ構造体の開発を行う。ナノ構造制御に加え、低コスト製造、有機材料との複合化、大面積化を図る。 | 増田 佳丈 | 産業技術総合研究所 | 主任研究員 |
| 単結晶ナノキューブの自己組織化を利用した新成形技術の開発 | 革新的誘電性能を示すチタン酸バリウム単結晶ナノキューブについて、溶媒蒸発時にナノキューブ間に働く毛管力の制御や自己組織化挙動の最適化により、塗布、印刷、シート成形技術などへの適用を検討し、大面積かつ高規則配列の３次元ナノ構造体を形成する。レーザー照射や静電噴霧などの低温成膜技術を検討し、ナノキューブ間の界面制御を可能にする。これにより、飛躍的な電子・電気物性を検証し、次世代デバイスの設計指針を得る。 | 三村 憲一 | 産業技術総合研究所 | 研究員 |
| 無焼成セラミックスプロセスの解析とそれに基づく革新的材料の創生 | セラミックス製造におけるエネルギーの半分以上を消費する焼成工程が不要な無焼成セラミックスは、エネルギー的観点からのみでなく、難焼結性セラミックスの固化、ポリマーや金属との複合化など革新的プロセスとなる可能性が高い。ところが、その強度発現メカニズムの解析は十分ではなく、職人芸的要素が高い。そこで、この部分をセラミックス成形前プロセス解析技術とシミュレーションを用いて材料設計可能なレベルに底上げする。 | 藤 正督 | 名古屋工業大学 | 教授 |
| 磁気科学プロセスによる単結晶性セラミックスの創出 | 回転変調磁場を用いた磁場配向法は室温で三軸結晶配向が可能な非真空の材料作製プロセスとされ、エピタキシー技術にはない技術的優位性をもつ。磁場配向とコロイドプロセスの融合による異方的機能物質の擬似単結晶セラミックスの創出を目的とし、造粒（合成条件・双晶・粒径）、磁場配向条件（磁場、回転条件、粘性）、焼結条件（温度、圧力、雰囲気）の最適化により、９０％以上の緻密性と１０度以内の配向度を目指す。 | 堀井 滋 | 京都大学 | 准教授 |
| 反応性プラズマを援用したセラミックス材料のダメージフリー形状創成・仕上げ加工技術の開発 | 硬脆難加工材料である機能性エンジニアリングセラミックス材料に対して、反応性プラズマを援用した『プラズマナノ製造プロセス』の適用により、高能率かつダメージフリーに目的形状を得るプロセスを開発する。本プロセスにより、従来の機械加工技術では不可避であった機械的・熱的・化学的な特性を低下させるマイクロクラックなどの加工変質層の形成を回避できるため、金型の作製などに応用すれば寿命の飛躍的な増大が期待できる。 | 山村 和也 | 大阪大学 | 准教授 |
| レイヤード結晶シェルによる“単一結晶面粒子”の創製とその超精密機能化 | １つの結晶面しか持たない“単一結晶面粒子”を創製し、革新的なセラミックス機能制御プロセスを開発する。従来の概念では、セラミック粒子には複数の結晶面が存在するが、有機・セラミックスの共創により“単一結晶面粒子”を合成する。結晶面は機能と直結するため、究極の単一機能を有する粒子が得られ、その３次元構造化により超精密機能化を実現するという革新的なプロセスの確立を目指す。 | 永田 夫久江 | 産業技術総合研究所 | 主任研究員 |
＜プログラムオフィサー総評＞
セラミック部材は軽量で優れた耐熱性・耐久性・耐食性・機械的特性・電気的特性などの特徴を備えており、多くの分野で使われ、さまざまな産業を支えています。このことは、日本のセラミックス産業が競争力を失うと、日本全体の産業競争力の減退につながりかねないことを意味します。
セラミックスの欠点は、複雑な製造工程や高温焼成によるエネルギー多消費、製品の内部構造の不均一性に起因する割れ欠けの発生、低い歩留まり、高コストなどです。これらの欠点を解決するための基礎研究を含むプロセス研究は、十分に行われてきたとは言えず、これらの研究を通してコスト競争力の向上や用途拡大につながる基盤技術の形成が求められています。本技術テーマに基づく研究が、セラミックス普及のネックとなっている技術課題をブレークスルーすれば、性能面だけでなくコスト面においても日本のセラミックス産業の優位性を際立たせることになります。この基盤技術は、セラミックスに共通する課題の解決を目指すものであり、従来からあるセラミックス製各種電子部品、センサー、圧電・蓄電・熱電変換などエネルギー変換素子、水処理用濾過材など全てのセラミック部材のコストダウンや高機能化に役立ちます。また、自動車、ロボット、航空宇宙、半導体製造装置等構造用部品材料の軽量化、省エネルギー化、メンテナンスフリー化、さらに新しいセラミックスの応用分野として期待されている次世代エレクトロニクス・パワーエレクトロニクス、エネルギー、環境浄化、医療・ライフサイエンスなどのさまざまな分野で、日本の技術的優位を確実にして世界市場をリードする武器となり得ます。
平成２８年度から本技術テーマが開始されるにあたり研究課題を公募したところ、７０件のご応募を頂きました。応募頂いた研究課題は、公募の趣旨を良く反映し①新材料・新粉体製造技術、②無焼成・低温作製技術、③革新的焼結技術、④革新的加工技術、⑤革新的分析技術、⑥新プロセス、と分類され非常に多岐にわたっていました。審査にあたっては、多様な申請課題の専門性をカバーするために産業界・アカデミアからなる全１０名のアドバイザーの協力のもとに、書面審査と面接審査を行いました。応募頂いた提案はいずれも魅力的な研究でしたが、特に広く産業化が期待できる革新的なプロセスであることを重視し、異分野の研究チームであることが望ましいとし、最終的に１１件を採択しました。不本意ながら不採択とさせて頂いた課題も、優れた研究提案が多数含まれていたことを、ここに特記させて頂きます。
本技術テーマの下で生まれた技術を実用化するには、その技術の達成度や適用可能範囲によって、個別企業が引き取って研究を続ける場合、個別企業と大学らとの共同研究に進む場合、あるいは複数の企業と大学らが集まるコンソーシアムで共同研究を行う場合などが想定されます。将来、この共通の土台が核となって、新しい技術の共創がさらに進むことが期待されます。
本プログラムを通して、大学・公的研究機関などで科学的な見地から研究し、その成果を産業界にフィードバックすることで、各企業による自社製品への適用、コストダウンや製造工程の革新、従来品を超える特性の実現を促進し、産官学が連携して生み出すブレークスルーにつなげたいと思います。
