競合する EV パワートレイン技術に関する GlobalData ガイド
バッテリーは 21 世紀の石油樽です
過去 10 年間で、バッテリー業界は十分に進歩し、ポータブル家庭用電化製品、モバイル インターネット、最初の電気自動車、断続的な再生可能電力の貯蔵と発電の初期導入が可能になりました。気候変動への取り組みにおいて貯蔵エネルギーの役割が加速し拡大していることを考えると、貯蔵エネルギーは今後 10 年間で世界で最も重要な産業の 1 つになるでしょう。
電池は十分にありますか？
世界中の政府が経済の脱炭素化に本腰を入れるにつれ、安価で安全、高性能、長寿命、二酸化炭素排出量の低い電池に対する需要が、特に自動車産業から急増するでしょう。
その結果、サプライチェーンのボトルネックは今後10年間で顕在化するだろう。世界の既存および計画中のバッテリーギガファクトリーに供給するための、低コストで精製が容易な原材料の不足は、供給の安全性に対する最大の脅威です。さらに、環境、社会、ガバナンス（ESG）要素の重要性の高まりと相まって、重要な鉱物鉱山への投資の減少により、新たな能力の開発が制限されることになります。
電気自動車（EV）の需要の急増と、採掘および精製されたバッテリー金属の不足により、2025年までに一時的ではあるが世界的なバッテリー不足が深刻になる可能性が高い。しかし、業界は、希少材料の使用を削減し、新しい材料と電池技術を開発し、そして最も重要なことに、世界的な電池リサイクル産業を創設することにより、これが継続的な脅威になるのを防ぐために多額の投資を行っています。
一方、鉱山や精製業者から部品マーカーやセル製造業者に至るまで、世界のサプライチェーン全体を中国が支配していることは、地政学的な問題として深刻化している。米国と欧州は、2030 年までにバッテリーのサプライチェーンにおける中国への依存を減らすために重要な措置を講じています。バッテリーのリサイクルは、環境の持続可能性と同じくらい地政学にも関係しています。循環型バッテリー経済はエネルギー転換にとって極めて重要であり、EV の販売量と使用済み製品の量が急増する中、国家 (および企業) は国内リサイクルを発展させる必要があります。
化学 - いくつかの基本原則
バッテリー技術は、多くの化学、さまざまなセルタイプ、代替技術に及びます。
バッテリーは、化学エネルギーが電気に変換される 1 つ以上の電気化学セルで構成される容器です。それらは動力源として使用されます。バッテリーは、他の多くのテクノロジーを促進する重要な要素です。これらは現代のモバイルライフスタイルと電気自動車（EV）の大量生産に不可欠です。バッテリーとエネルギー貯蔵技術は、再生可能エネルギーへの移行の基礎となります。
バッテリーセルには、一次電池と二次電池の 2 種類があります。
- 一次電池は不可逆的な化学反応によって電流を生成し、使い捨て電池と呼ばれます。
- 二次電池は、可逆的な化学反応によってこの電流を生成します。これらは、多くの場合、充電式バッテリーまたは蓄電池と呼ばれます。
燃料電池もエネルギー源ですが、バッテリーではありません。バッテリーは、すでに内蔵されている化学物質を使用してエネルギーを生成します。対照的に、燃料電池は、発電用の化学物質の供給源として、燃料電池を流れる燃料の継続的な外部供給を使用します。燃料電池は、無人宇宙探査機、自動車、および非常用バックアップ電源として使用されています。しかし、使用される燃料（通常は水素）は日常使用するには危険すぎると考えられてきました。
バッテリーは化学エネルギーを電気エネルギーに変換します
バッテリーは化学エネルギーを貯蔵し、電気化学反応を通じてそれを電気エネルギーに変換します。これらは、正極 (カソード)、負極 (アノード)、および電解質の 3 つの主要なコンポーネントで構成されます。 2 つの電極は異なる材料で作られています。電極は特定の化学種に対して半透過性のセパレーターによって互いに分離されており、バッテリーはケーシング内に収容されています。
バッテリーが電気回路に接続されると、電気化学反応が起こります。電子はアノードからワイヤを通って接続されたデバイスに電力を供給し、カソードに流れます。
すべてのバッテリーセルには、限られた量の反応性物質が含まれています。最終的には、バッテリー内の電気化学プロセスが負極への電子の供給を停止し、電気の流れが停止します。このため、バッテリーで利用できる電力には制限があります。
再充電
二次電池は、ソーラーパネル、風力タービン、車のブレーキ、主電源などの外部電源を使用して充電できます。再充電中は、電気化学反応が逆に起こり、セルとそのコンポーネントが元の状態に近く復元されます。ただし、バッテリーの硬化や樹状突起の形成などの現象により、バッテリーを無限に再充電することができなくなります。デンドライトは危険な短絡を引き起こす可能性がありますが、この問題を軽減するためにセラミックセパレーターが開発されています。
リチウムイオン (Li-ion) は、コネクテッド デバイス (ラップトップやスマートフォンなど)、電気自動車 (EV)、家庭内の再生可能エネルギー貯蔵用の主要なバッテリー技術です。これらすべての使用例において、安全性が最も重要です。リチウムイオンはその安全性により、これらの分野で勝利を収めています。寿命が長く、より小型で強力なバッテリーへの需要が高まる中、研究者は危険な火災や爆発を引き起こす可能性がある短絡や過熱の問題を解決しようと積極的に取り組んでいます。
リチウムイオン電池は、所定の重量（エネルギー密度）に対してより多くのエネルギーを蓄えます。
リチウムイオン電池は、鉛蓄電池やニッケル水素ベースの電池よりも所定の重量と体積に対してより多くのエネルギーを蓄えることができ、より高速な充電と放電が可能です。これらの特性により、軽量パッケージでの優れたエネルギー密度が不可欠となる電気自動車のエネルギー貯蔵に最適です。
リン酸鉄リチウム (LFP) 電池も、今日のポータブル電子機器で使用される電池の種類の 1 つです。 LFP はリチウムイオン電池よりもエネルギー密度が低いため、電池を高速で消費する電力を大量に消費する電子機器にとって後者が一般的な頼りになります。ただし、LFP は劣化を最小限に抑えながら高温に耐えることができるため、充電前に長時間稼働する必要があるオブジェクトに適しています。さらに、LFP バッテリーは通常、リチウムイオン バッテリーよりもライフサイクルが長くなります。つまり、より多くの回の充電と放電が可能になります。おそらく、リチウムイオン電池に対する LFP の最大の利点の 1 つは安全性です。熱的および化学的安定性の向上により、LFP は高温でも低温を保ち、急速充電または放電中、または短絡中に誤って取り扱われた場合でも不燃性 (発火しない) になります。
市販のバッテリーよりも優れた利点をもたらす可能性のある高度なバッテリー化学も開発されています。
性能上の利点には、軽量化、より高いエネルギー密度、より広い温度耐性、延長されたライフサイクル、および向上した安全性が含まれます。たとえば、リチウムイオン電池の液体電解質は、衝突やセル構造の故障時などに外気にさらされると、非常に揮発性が高くなる可能性があります。リチウム電池の火災は特に激しく、消火するのが難しく、完全に不活性になるまで数日間完全に水に浸す必要がある場合がよくあります。 EV 火災が燃焼車火災よりも高い頻度で発生することを示唆する証拠はありません。実際、統計的に発生する可能性は低いかもしれません。
しかし、EVメーカーは自社の車両が安全であることを国民に安心させなければなりません。サムスンがリチウムイオン電池の発火に悩まされたスマートフォン「Galaxy Note 7」の悲惨な発売により、この電池の化学的性質の潜在的な危険性が世間に知らしめられたが、これはEVメーカーにとっては繰り返したくない間違いだろう。
次に有力な選択肢は全固体電池です
固体電池は通常、従来の電池と同じリチウムイオンベースの化学反応を使用してエネルギーを貯蔵および放出します。違いは、アノードとカソードを分離するために使用される電解質にあります。従来の電池は液体ベースの電解質（通常は有機溶媒に懸濁したリチウム塩）を使用しますが、固体電池はそれを、通常はセラミック、ポリマー、またはガラスのいずれかで作られたウェハのように薄い固体電解質に置き換えます。
液体電解質を除去すると、多くの潜在的な利点がもたらされます。固体電池は液体ベースの電池に比べて軽量かつコンパクトであるため、パックの重量を軽減したり、エネルギー容量を増加したりできます。リチウム樹枝状結晶の形成に対する耐性がより高くなければなりません。これにより、電力放電性能が向上し、潜在的な充電速度が向上し、バッテリー パックの耐用年数が延長されます。さらに、大量生産が実現すれば、工業用溶剤が除去されるため、従来のリチウムイオン電池よりも簡単かつ迅速に製造できるようになるはずです。
バッテリーの安全性の分野では、ソリッドステートセルによってさらに顕著な利点が得られます。欠陥または損傷したリチウムイオン電池によって引き起こされる火災は広く公表されています (例: シボレー ボルトとその LG 製バッテリー)。多くの場合、これらの火災は、内部の故障や外部の損傷によって揮発性のリチウム電解液が外気にさらされ、発火して連鎖反応を引き起こし、バッテリーパック全体を破壊するために発生します。固体電解質はこれらの問題を完全に回避し、たとえ穴が開いたり衝撃を受けたりした場合でも、火災や爆発に対する高い耐性を備えています。
これらは多くの理論上の利点を提供しますが、軽自動車用の固体電池を大量生産する能力を実証した企業はまだなく、ほとんどの企業はまだベンチテスト段階にあります。固体電解質と電極が表面全体で均一に接触するように設計するなど、解決すべき問題がまだいくつか残されています。これは、歪みがあるとギャップが生じて電池効率が制限される可能性があるためです。さらに、電解質の脆さにより電池の性能を制限する微細な亀裂が生じ、材料の安定性に問題があることがわかっています。
フランスのボロレ社の子会社であるブルー・ソリューションズ社は、ダイムラー社の都市連節バス「eCitaro G」に同社の固体電池を供給する契約を獲得した。これはこの技術の商業供給契約としては記録に残る初めてのことである。ただし、オプションのソリッドステート パックは、50 ℃ ～ 80 ℃ の比較的高い動作温度に意図的に加熱する必要があり、その過程で温度範囲が一部損なわれ、予測不可能な使用パターンを持つ軽自動車での使用には不適切になります。
燃料電池 (水素) – 長期的な賭け
燃料電池電気自動車 (FCEV) は、燃料電池膜を通して燃料 (通常は水素) を酸化することで車上で発電し、排出されるのは水だけです。この電力は電気モーターに直接送ることも、後で使用するために別のバッテリーに蓄えることもできます。 FCEVは、燃料電池車と同様に、タンクに水素を補充することで迅速に「燃料補給」することができ、BEVに必要な長い再充電期間が不要になります。水素への取り組みは、循環エネルギー経済の一部としての潜在的な役割によっても推進されています。ここでは、海水から水素を分解するために再生可能な風力または水力発電が使用されています。水素は、それらの供給源によって生成されるオフピークエネルギーの貯蔵庫として機能します。
FCEV には多くの潜在的な利点がありますが、BEV と競合するには技術を改良する必要があります。現在、水素の生成コストはガソリンの生成コストよりも高く、補充のコストが高くなっています。さらに、FCEVをサポートするインフラはまだ構築されていない一方で、EV充電ネットワークはすでに急速に成長しています。
FCEV は大型車両や商用車にとって最も価値のあるものと考えられます。バッテリーは重いため、必要なバッテリーの重量が膨大になると潜在的な積載能力を使い果たしすぎてしまうため、長距離トラックにはあまり適していません。長距離トラックが通る予測可能なルートでは、効果的に機能するために必要な水素給油ステーションの数も少なくなります。
基本的に、FCEV は業界では長期的な輸送手段として考えられており、まず閉ループ充電ステーション ネットワークと並んで大型商用車に応用される可能性が最も高いと考えられます。
ソースから ただ自動
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