EV バッテリーの裏話: NCM、NCA、LFP、固体化学を解明する

電気自動車が輸送負荷を完全に引き継いでいない主な理由は、高電圧バッテリーの技術レベルです。過去 10 年間にこの分野では大きな進歩が見られましたが、バッテリーのエネルギー量は液体燃料のエネルギー量には遠く及びません。自動車研究の聖杯は、現在利用可能なものよりも大幅に高いエネルギー密度を備えたバッテリーです。そこで私たちは、現在および将来有望なバッテリー技術をレビューし、最新情報を提供することにしました。

現在使用されている技術

リチウムイオン - NCM および NCA カソード

リチウムイオン電池の歴史は約 30 年前に遡り、ソニーが商用機器である Sony CCD-TR1 ビデオカメラにリチウムイオン電池を導入したときから始まります。リチウムイオン電池はどのように機能するのでしょうか?簡単に言うと、リチウムイオンはアノードからカソードへ往復します。放電中、アノードはリチウムイオンをカソードに送ります。リチウムイオンは液体電解質を通って移動し、電子は外部回路を通って移動し、セルのカソードで再結合します。充電中はその逆のことが起こります。

現在、リチウムイオン NCM および NCA 高電圧バッテリー タイプは、ほぼ電気自動車のみに使用されています。 Nはニッケル、Cはコバルト、Mはマンガン、Aはアルミニウムを表します。バッテリーの正極におけるこれらの材料の割合に応じて、異なる特性が実現されます。たとえば、NCM 712 バッテリーは、70% のニッケル、10% のコバルト、20% のマンガンで構成されていることを意味します。一般に、バッテリー内のニッケルの割合が高いほど、バッテリーが提供できるエネルギー密度が高くなり、バッテリー パックの重量と寸法に大きなプラスの効果が生じます。

地球の地殻にはコバルトが不足しており、採掘倫理（児童労働）に問題があるため、電池メーカーは、材料の割合を低くしたり、材料を完全に排除した化学薬品を使用しようとしています。高ニッケル陰極、セルとパックの配置、および陽極のシリコンの組み合わせにより、そのエネルギー密度は最大 325 Wh/kg に達する可能性があります。この種の電池は技術的に限界に近づいていると言えるでしょう。

リチウムイオン - LFP カソード

リチウムイオン電池の正極のもう一つの代替品は、リン酸鉄リチウムの使用です。この種のバッテリーの性能は一般に NMC タイプよりも低いですが、耐用年数が長く、より安価でより一般的な材料が使用されているため、一部のメーカーでは好まれています。ここでの比エネルギー密度は、2 つの主な要因により低くなります。

まず、最大電圧が低いため、同じ静電容量の場合、得られるkWhが小さくなります。次に、リチウムイオンが（NMCバッテリーでは2つではなく）1つの空間次元で移動するためです。リチウムイオンが 1 つの空間次元内でのみ移動するという事実は、バッテリーの最大放電電力も低いことを意味します。そのため、この種のバッテリーは高性能アプリケーションには適していないと考えられています。

これが、テスラがモデル 3 の基本バージョンにのみこの種のバッテリー化学反応を使用する理由です。ただし、この種のバッテリーには 2 つの大きな利点があります。その寿命は他のリチウムイオンタイプよりも高いと考えられており、100% まで充電しても問題がないだけでなく、実際にこれらのバッテリーを強く推奨します。

将来の可能性のある技術

リチウム - 空気

リチウム空気電池は現在ほとんどが技術プロジェクトであり、研究中ですが、このタイプの電池はすべての電池の中で最も有望であると思われ、11.4 kWh/kg という液体燃料と同様の比エネルギー能力を示します。リチウムはアノードにあり、空気はカソードにあり、これら 2 つは電解質によって分離されています。放電中、アノードからのリチウムイオンは空気が存在するカソードに移動し、酸素と反応します。

残念ながら、充電中の高温によりバッテリーの急速な再充電が妨げられる一方、プロセス中の樹状突起の形成によりバッテリーの耐用年数が大幅に短縮され、現在その使用は実験室環境に限定されています。技術的な課題が克服され、コストが妥当であれば、ICE 車両は一夜にして時代遅れになるでしょう。

ソリッドステート

これは自動車バッテリーの聖杯と考えられており、現在、自動車業界の大手各社によって膨大な研究が進められています。現在の従来のリチウムイオン電池は、液体電解質とセパレーターを使用してアノードとカソードを分離しています。全固体電池では、液体電解質とセパレーターが固体電解質に置き換えられます。

研究者たちは現在、金属物質とセラミック物質の両方を含む固体電解質の幅広い選択肢を評価しています。現在、このバッテリー技術を利用した電気自動車はありませんが、最初の量産モデルは今後 2 ～ 3 年以内に市場に投入されると予想されています。このバッテリーは、1,000 サイクルの寿命を維持しながら、液体電解質を使用した従来のリチウムイオンバッテリーの 2 倍の比エネルギー密度を提供すると予測されていますが、これらの推定値は開発が進むにつれて改善される可能性があります。