自動車業界は革命の真っただ中にあり、モデル T の最初の量産生産に次いで 2 番目と言えるでしょう。電気自動車は、世界中のほぼすべての自動車メーカーによって発表および発売されています。道路を走る車両の大半が EV になるまでにはかなりの時間がかかりますが、EV のバッテリー技術には大きな飛躍が見られます。
主要なポイント（要点）
- 全固体電池は、最も期待されている近未来の技術革新であり、従来のリチウムイオン電池に比べて、より高いエネルギー密度、より速い充電速度、そしてより優れた安全性を実現すると期待されている。
- リン酸鉄リチウム（LFP）電池は、エネルギー密度が低い場合でも、その熱安定性と長寿命性により、市場シェアを拡大している。
- ナトリウムイオン電池は、エネルギー密度がそれほど重要ではないエントリーレベルの電気自動車や定置型蓄電システムにおいて、低コストの代替手段として注目を集めている。
- バッテリー管理システム（BMS）は、セル化学の進化に合わせて進化しており、充電、温度制御、およびSoH（健全性）のリアルタイム追跡を最適化する。
- サービス技術者は、EVバッテリーの化学組成の変化を追跡する必要があります。なぜなら、診断手順と安全要件はバッテリーの種類によって異なるからです。
- MidtronicsのxEV診断ツールは、進化するEVバッテリーアーキテクチャに適応するように設計されており、技術環境の変化に合わせてサービス工場をサポートします。
自動車購入希望者の半数以上が、航続距離への不安が電気自動車購入の障壁になっていると答えている。容量制限やバッテリー充電時間など、様々な要因から、より高性能なバッテリーの開発と統合は、今後10年間で極めて重要になるだろう。
ここでは、現在の EV バッテリー技術の現状と、10 年代の終わりまでに何が起こるかについて説明します。
リチウムイオン電池
圧倒的多数の EV はリチウムイオン バッテリー パックを使用して作られています。このタイプのバッテリーは、現在市場で最も売れているEVに搭載されており、今後数年間に発売されるモデルにも搭載されると言われています。一般に、リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、古い技術に比べて軽量で、安全に充電できます。放電率が低く、放電全体にわたって一貫したエネルギーを供給します。
ただし、リチウムイオン電池に欠陥がないわけではありません。重さは鉛蓄電池の半分以下ですが、長距離の必要性を考慮するとかなり重いです。充電も比較的早いですが、それでも ICE 車両に燃料を補給するよりもはるかに時間がかかります。
おそらく、リチウムイオン技術に対する最も一般的な懸念はその材料にあります。最も一般的なリチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物 (NMC)、リチウム ニッケル コバルト アルミニウム酸化物 (NCA)、リチウム マンガン酸化物 (LMO)、またはリチウム鉄リン酸塩 (LFP) の設計であっても、それらはすべてレアアース金属を使用しています。確実に言うことは難しいですが、これらの希少で物議を醸す素材の調達は持続不可能であると思われます。
今日のリチウムイオン電池の場合、各組成には長所と短所があります。
- NMC バッテリーの性能、エネルギー、コストは中程度ですが、熱安定性は他の選択肢に劣ります。
- NCA バッテリーはより高価になる傾向があり、特定のエネルギーと電力に対して優れた結果をもたらしますが、より揮発性が高くなります。
- LMO 電池は現在市場で最もコスト効率が高く、エネルギー容量の点では平均的ですが、性能と寿命が最も低くなります。
- LFP バッテリーは、熱安定性、安全性、コスト、寿命の点で優れていますが、比エネルギーと出力は平均を下回っています。
ニッケル水素電池
ハイブリッド電気自動車においては、ニッケル水素（NiMH）技術が最も頻繁に採用されてきたソリューションである。トヨタなどの自動車メーカーは1990年代後半からハイブリッド車にNiMHバッテリーを使用しており、バイポーラNiMHバッテリーなどの最近の技術開発により、この技術は依然として非常に重要な位置を占めている。NiMHバッテリーは、同サイズのリチウムイオンバッテリーパックの約半分のコストで済む。
リチウムイオン技術と同様に、NiMH バッテリーはコバルトやランタンなどの希土類材料と高レベルのニッケルを使用します。したがって、これらの電池には環境上の懸念もたくさんあります。
ニッケル水素電池は需要が少ない用途に使用されるため、ハイブリッドにニッケル水素電池が使用されます。また、自己放電レベルが高く、過充電されると容量が失われる可能性がありますが、充電レベルと充電率を適度に抑えることで解消されます。ニッケル水素電池には低速充電が最適であり、これが長距離走行可能なフルEVがこの技術を採用しない理由の1つです。
全固体電池
電気自動車にとって最も有望な技術開発は、おそらく全固体電池でしょう。これはリチウムイオン電池と非常によく似ていますが、一方の電極からもう一方の電極へエネルギーを運ぶのに液体電解質を用いるのではなく、はるかにエネルギー密度の高い固体材料を使用します。自動車メーカーは、全固体電池によって電池のサイズと重量を大幅に削減し、安定性を向上させることができるため、数億ドルを投資しています。
全固体電池はエネルギー密度が高いため、液体電解質を使用したリチウムイオン電池の数分の一の時間で再充電できます。もう 1,000 つの大きな利点は長寿命です。リチウムイオン電池は 90 回の充電サイクル後に著しく劣化しますが、全固体電池は「5,000 サイクル後でも容量の XNUMX% を維持する」と言われています。
全固体電池が市場に投入されるまでには、特に生産コストの削減という点で、まだ時間がかかります。今後数年以内にそれが可能になるという約束があります。
シリコン負極電池
黒鉛はEVのバッテリーに多量に使用されていますが、容量には限界があります。開発者は、アノードのグラファイトをメソポーラスシリコン微粒子とカーボンナノチューブに置き換える設計に取り組んでいます。シリコンはグラファイトの約 10 倍の容量があり、これをバッテリーセルの主要要素として実装すると、航続距離と充電時間の両方が大幅に改善される可能性があります。
シリコン負極電池の最大の利点の 1 つは、黒鉛への依存が減り、精製された大麦殻灰からなる製品に置き換えられることです。これはレアアース鉱物採掘への依存度を下げるための一歩だ。
コバルトフリーのEVバッテリー
コバルトは、コバルトが最も広く普及しているコンゴでの採掘慣行のため、EV用リチウムイオン電池に使用される材料の中でおそらく最も物議を醸しており、電池製造に大きく依存している。将来のリチウムイオン電池の設計では、正極のコバルトが廃止される可能性がある。コバルトは非常に希少で高価であるため、コバルトを排除することで価格を下げ、EVの普及率を高めることができます。
開発者は、コバルトの代わりに、89% のニッケルと、すぐに入手できるアルミニウムとマンガンを陰極として使用してきました。一般的なリチウムイオン電池よりもエネルギー密度が高く、XNUMX回の充電でより長い航続距離を達成できると伝えられている。
カーボンナノチューブ電極
六角形のパターンで結晶化した炭素はグラフェンとして知られており、原子の単層です。 NAWA Technologies の電池開発者は、EV 電池の電極として使用するカーボン ナノチューブをグラフェンから作成することに成功しました。電極用に垂直に配置されたグラフェン チューブは非常に導電性が高く、今後数年以内に使用できる超高速カーボン電極になります。
カーボン ナノチューブ電極の利点は非常に大きいです。 80 倍のエネルギー容量に加えて、非常に速く再充電できます。 NAWA によれば、バッテリーはわずか XNUMX 分で XNUMX% 充電できるという。また、グラフェンは安価に大量生産できるため、バッテリーのコストを大幅に削減できます。
製品概要
現在のリチウムイオン電池は、1 回の充電で数百マイル走行でき、EV では何年も持続します。将来の技術では、より軽量で小型のバッテリー パックに、より高速に再充電し、より多くのエネルギー容量を蓄えることができるようになるでしょう。
よくある質問
全固体電池とは何ですか？また、いつ頃実用化される予定ですか？
全固体電池は、従来のリチウムイオン電池の液体電解質を固体材料に置き換えることで、エネルギー密度と安全性を向上させている。複数の自動車メーカーが2020年代後半に全固体EVの実用化を目指していると発表しているが、商業規模での普及は依然として課題となっている。全固体電池パックの保守手順は、現在の液体電解質電池とは異なるものとなるだろう。
LFP電池の化学組成はNMC電池とどのように異なるのですか？
リン酸鉄リチウム（LFP）電池は、熱安定性が高く、サイクル寿命が長く、製造コストも低いという利点があるが、ニッケル・マンガン・コバルト（NMC）電池に比べてエネルギー密度は低い。LFP電池は、エントリーグレードの電気自動車や商用車でますます普及しつつある。
ナトリウムイオン電池とは何ですか？
ナトリウムイオン電池は、電荷キャリアとしてリチウムの代わりにナトリウムを使用する。製造コストが安く、寒冷地での使用に適しているが、現状ではリチウム系電池よりもエネルギー密度が低い。主にアジア市場を中心に、低価格の電気自動車（EV）モデルに搭載され始めている。
バッテリーの化学組成は、電気自動車の診断にどのような影響を与えるのか？
異なる化学組成のバッテリーは、充電曲線、電圧範囲、および熱特性が異なります。診断ツールは、SoH（健全性）を評価する際に、これらの違いを考慮する必要があります。Midtronics xHVS-3000のようなツールは、EVバッテリーの様々なアーキテクチャに対応するように設計されています。
将来の電気自動車用バッテリーには、新たなサービス手順が必要になるだろうか？
はい。固体素子やその他の新しい化学技術が実用化されるにつれ、技術者には最新のトレーニング、ツール、安全手順が必要になります。SAE規格やOEMのサービスドキュメントを常に最新の状態に保つことが、最善の準備方法です。
次世代EVバッテリーへの対応として、販売店は今、何をすべきでしょうか？
適応性の高い診断機器に投資し、技術者が高電圧（HV）認定を受けていることを確認し、化学組成に特化したガイダンスについてはOEMのサービス速報を定期的に確認してください。MidtronicsのEVソリューションハブは、 EVサービス体制を構築しようとしている整備工場にとって有用な出発点となります。