EVバッテリーの欲しいものリスト

2010年には電気自動車はほとんど存在せず、テスラ・モデルSがまだイーロン・マスクの目に輝いていた。 ブルームバーグNEFによれば、現在2,000万台以上のEVが世界中を駆け巡っており、その数は2025年までにほぼ4倍の7,700万台に増加すると予想されている。バッテリーは、これら7,700万台の電気自動車それぞれの高電圧の心臓部となるだろう。最も高価な部品であり、倫理的に材料を調達し、爆発的な需要に応えるために生産量を増やすという世界的な競争を引き起こしています。

JDパワーによると、EVは2022年に米国市場で過去最高の5.8％を獲得する可能性があり、今年は世界市場の11％に近づく可能性がある。 しかし、自動車メーカーが2030年までEVの開発と生産に1兆2000億ドルという巨費を投じるとロイターが予測しているにもかかわらず、専門家らは依然として、より優れたバッテリーやその他多くのバッテリーがEVが市場の転換点に達する鍵になると信じている。

IEEE Spectrum は 5 人の業界専門家に、自分たちの水晶玉を深く見つめ、世界が化石燃料による輸送から脱却してプラグに依存するために EV バッテリー分野で何が起こる必要があるかを概説するよう依頼しました。 彼らが言ったことは次のとおりです。

新興企業の Lucid Motors は多くの車を製造していないが、Air Grand Touring Performance セダンの 830 km の航続距離という記録を樹立して評判を築いている。 この航続距離は、Lucid の執拗な効率追求の証です。Air は、多くの EV と同じ 2170 フォーマットの円筒形セル (Samsung SDI から供給) を使用していますが、優れたバッテリー管理、コンパクトでありながら力強いパワー ユニット、および滑りやすい空気力学。

洗練されたシャーシとバッテリーの設計により、競争力がなく時代遅れとなる「マイナーな」化学物質、特に世界中のバッテリーで最も注目されているリン酸鉄リチウムに新たな命が吹き込まれています。

Lucid は、このような広大な距離をカバーするためにあらゆる電動モデルを要求すると考える人もいるかもしれません。 その代わりに、Lucid のリーダーたちは、より小型でより手頃なバッテリーによって、航続距離そのものではなく最大効率を目指す自動車に明るい未来を見込んでいます。

Lucid の最新の Air Touring モデルは、マイルあたりのベースで最も効率的です。 現在、世界で最も空気力学的に優れた量産車両となったエア ツーリングは、抗力係数 0.197 を誇り、搭載キロワット時あたり EPA 定格の 7.44 キロメートルの走行を実現します。 しかし、このフルサイズの豪華バージを推進するには、依然として 92 kWh のバッテリーが必要です。

これらすべてを念頭に置いて、同社は次世代バッテリーの開発に取り組んでいます。 企業の目標から推定すると、将来のコンパクトサイズの Lucid (テスラ モデル 3 やモデル Y のサイズを考えてください) は、有効航続距離を犠牲にすることなくバッテリーを決定的に小型化できる可能性があります。

「私たちの目標は、効率をさらに向上させることです」と Dlala 氏は言います。

「250マイル走行できる車を作るとしたら、バッテリーの容量はわずか40kWhになるでしょう」、つまりAirの半分以下のサイズになります。 これは、比較的小型のベースモデルの日産リーフと同じサイズのバッテリーで、効率が低いためEPA認定の航続可能距離はわずか240kmに過ぎない。

このようなコンパクトなバッテリーは、メーカーと消費者にとって大幅なコストの節約になるだけではありません。 必要な原材料や精製された材料が少なくなり、理論的には自動車メーカーが有限の供給からより多くの自動車を製造できるようになります。 このパックの重量は、Lucid の現在の最も頑丈なバッテリーの約 3 分の 1 になります。 その結果は、小型バッテリーをサポートする軽量シャーシ、よりスリムな衝突構造、小型化されたブレーキなど、最も大衆意識の高いエンジニアの心を温める一連の利益となるでしょう。 乗客と荷物のためのより利用可能なスペース。 これらすべての節約により、航続距離とパフォーマンスがさらに向上します。

この壮大な設計には、当然のことながら、それに伴う充電器の開発も急ピッチで行われる必要があります。 充電器がガソリン スタンドと同じくらい普及し信頼性が高く、給油速度もほぼ同じになると、「400 マイルの航続距離は必要なくなります」とドララ氏は言います。

これらすべてが、EV メーカーにとって、内燃自動車との価格同等という究極のとらえどころのない願いを叶える可能性があります。

「効率性とインフラストラクチャの組み合わせにより、内燃車に対して競争力のある価格を生み出すことができます」と Dlala 氏は言います。

カスティルー氏は、EV バッテリーの革新的な進歩はこれまでのところ稀であると述べています。 しかし、自動車メーカーは爆発的な成長期に持続可能で手頃な価格の供給を求めているため、EV用バッテリーは依然として自動車メーカーの計算の中心となっている。 キロワット時の正当な取り分と思われる電力に飢えている市場では、特に小規模な自動車メーカーやネットワークとのつながりが少ない自動車メーカーは飢えに陥る可能性がある。

「限られた供給を求めて誰もが競争しています」とライアン・カスティルー氏は言う。 「そのため、EVの成長軌道はでこぼこになります。これは非常に大きな課題であり、成長が鈍化して供給側が追いつくまでは解決しないでしょう。」

「ここ数十年、自動車メーカーが加工会社や鉱山会社になることは考えられませんでしたが、供給が不足している現在、思い切った対策を講じる必要があります。」—ライアン・カスティルー、アダマス・インテリジェンス

性能を高めるためにニッケル含有量を増やし、コストを削減するためにコバルトを削減することに成功した電池業界は、化学だけでは利益逓減という壁にぶつかっている。 これにより、バッテリー パックの設計が新たなフロンティアとして残されます。Castilloux 氏は、重量とスペースを節約するために「アルミニウムやその他のゾンビ素材」を排除する取り組みを賞賛します。 その努力は、周囲のケースに対する活物質の比率が高い大型円筒形バッテリーや、いわゆる「セル対パック」または「パック対フレーム」設計などの革新に現れています。 2025 年に最初に登場する BMW の重要な「ノイエ クラッセ」EV は、その一例にすぎません。従来のケース入りモジュールを必要としない大型セルは、開いたフロアパン全体を埋め、衝突耐性のある構造部材として機能します。

「これは、パック密度を大幅に向上させ、車両の燃費を向上させるための低コストの方法になります」とカスティルー氏は言う。

この種の洗練されたシャーシとバッテリーの設計は、競争の場を平等にするのにも役立ち、そうでなければ競争力がなく時代遅れになる「劣った」化学、特に世界中のバッテリーで最も注目されているリン酸鉄リチウムに新たな命を吹き込むことができます。

「北米と欧州では物事が正しい方向に進んでいるが、現時点では遅すぎて、西側諸国は需要に応えようと集団で慌てている。」

2023年2月13日月曜日、ドイツのジンデルフィンゲンにあるメルセデス・ベンツ・グループ工場の組立ラインにあるメルセデス・ベンツEQS電気自動車のドライブトレインとバッテリー。Krisztian Bocsi/Getty Images

カスティルー氏は、悲劇は、EVの需要は数年前から予想されていたが、「それが今起きているだけだ」ということだという。

「これに行動を起こしたのは中国だけで、現在ではバッテリー材料の精製と加工、そしてセル生産自体の両方で世界の他の国々より10年先を行っている」。

テスラはまた、垂直統合の観点から、リチウム塩水やコバルト鉱山から最終生産やリサイクルに至るサプライチェーン全体を管理する必要性を考えることで、従来の自動車メーカーよりも先を行きました。

「ここ数十年、自動車メーカーが加工会社や鉱山会社になることは考えられなかったが、供給不足の今、思い切った対策を講じる必要がある。」

自動車メーカーは、電池だけでなく電池材料の自社サプライチェーンの構築など、急増するEV需要に応え、市場の大きなギャップを埋めようと競っている。 米国だけでも、Atlas Public Policy は EV およびバッテリー工場とリサイクルへの投資を発表しており、その総額は 1,280 億米ドルに上ります。 これには、充電インフラストラクチャというもう 1 つの盲点がまだ残されています。 テスラの圧倒的なスーパーチャージャーは別として、多くの専門家は、つぎはぎ状で信頼性が低いことで有名な充電ネットワークが主流のEV導入への主な障害であると指摘している。

ゼネラルモーターズの新しい充電器構想の主導者であるダン・ニコルソン氏は、「充電インフラは改善が必要なもののウィッシュリストに載っている」と語った。

2021年の米国インフラ法は、2030年までに50万台のEV充電器のネットワークを構築するために75億ドルを提供するとしている。しかし、テスラのような独自の充電器を所有して運営するのではなく、自動車メーカーが独自のガソリンスタンドのチェーンを運営しているのと同じで、GMやフォードなどは、標準化された充電器を標準化すると主張している。 、オープンソースの充電器は、より多くのアメリカ人にICEの習慣をやめるよう説得するために重要です。 ニコルソン氏は、これらの充電器は人々が住んでいる場所や働いている場所ならどこでも利用できる必要があり、どの自動車ブランドのドライバーにも開放されている必要があると述べた。

これらの充電器が実際に機能すれば助けになるだろう。2022年の調査では、EV所有のメッカであるサンフランシスコ・ベイエリアの公共充電器の25パーセント近くが適切に機能していないことが示された。

自動車メーカーやバッテリーメーカーは、テスラ、フォード、その他のモデルにおけるリン酸鉄リチウム電池の驚くべき普及を含め、複数のソリューションに取り組んでいます。

公共ネットワークの不足を埋めるために、GM は EVGo と協力して、主要通路沿いの 500 か所のパイロットおよびフライング J トラベル センターに設置された 2,000 か所の DC 急速充電スタンドの全国ネットワークを構築しています。 家庭で充電できない人々を含め、住んでいる人々にサービスを提供するために、GMは4,400以上のディーラーを活用して、ディーラーと、サービスが行き届いていない都市部や農村地域を含む主要な場所の両方に、それぞれ最大10か所のレベル2充電ステーションを建設している。 ニコルソン氏は、米国人口の90パーセントがGMディーラーから16キロ以内に住んでいると指摘する。

SAE 理事会メンバーとしての役割において、ニコルソン氏は EV、コネクタ、充電器の将来性のある規格もサポートしています。 これには、EV と充電器間の双方向通信を定義する ISO 15118 国際規格が含まれます。 この規格は、あらゆる EV のドライバーがあらゆる DC 急速充電器に接続し、バックエンドで簡単に請求できるようにする新進の相互運用性システムである「プラグ アンド チャージ」の鍵となります。 これが 2012 年以来の Teslas の仕組みですが、Tesla モデルを認識して通信するだけで済むクローズド システムの利点も備えています。

ニコルソン氏は、GMは充電協力会社との「稼働時間の保証」も求めていると述べた。 これにより、ドライバーは充電器が作動しているかどうかを事前に確認し、場所を確保できるようになります。

「人々はステーションを予約し、そこに着いたときにそれが機能することを知っている必要があります」と彼は言いました。

2022年は電気自動車ブームの年であるにもかかわらず、一部のアナリストは、予測不可能な需要、迫り来る景気後退、サプライチェーンの問題などの困難を理由に、EV普及予測を下方修正している。 S&Pグローバル・モビリティは依然として強気の姿勢を保っており、2030年には世界の購入者の42％がEVを選択し、バイデン大統領の目標であるEV普及率50％が達成できると予測している。

「これは大きな成長だが、それほど早く進まない人もたくさんいる」とブリンリー氏は語った。 EVを市場の多数派に押し上げるには、有力な人材が揃う必要がある。 ブリンリー氏は、最も重要な鍵は、米国の購入者の生命線であるSUVやピックアップトラックを含め、あらゆる価格帯で新型EVモデルが爆発的に増え続けることだと語る。

バッテリーに関してブリンリー氏は、既存の製造拠点、労働力、ノウハウを持つICEメーカーは、比較的新規のメーカーよりも有利になる可能性があると述べた。 問題は、ゼネラルモーターズやフォードなどが、ICE生産の縮小から労働者の再訓練への移行にどれだけうまく対応できるかだろう。バッテリーやモーターの生産に必要な労働者はICEパワートレインよりも少ない可能性がある。 フォードは2月、現在世界最大のリチウムイオン生産国である中国のCATLから技術供与を受け、ミシガン州にLFP電池を製造するための35億ドルの新工場を建設すると発表した。

「一部の（レガシー）自動車メーカーは特定のユースケースにLFPを使用するだろうし、開発中のソリッドステートによって再び状況が変わる可能性がある」とブリンリー氏は言う。 「しかし、当面はバッテリーとエンジンの両方が必要です。人々は両方を購入するでしょうから」とブリンリー氏は言う。

ブリンリー氏は、ある時点で、それはゼロサムゲームになると言う。フラットな世界の自動車市場では、両方のタイプのパワートレインに快適に対応することはできない。

「BEVの売り上げが伸びるためには、ICEの売り上げが減らなければなりません」とブリンリー氏は言う。 「そしてそれが今後数年間で激しい市場になるだろう。」

NanoGraf は、電池の寿命が長いだけでなく、中国の電池支配に対抗するために安定した競争力のある北米のサプライチェーンを望んでいるいくつかの新興企業の 1 つです。 インフレ抑制法は、メーカーと消費者に対するEV減税の条件としてバッテリーとバッテリー材料の確実な国内調達を義務付けることで、前例のない国内投資の津波を引き起こした。 これには、生産されるすべてのリチウムイオン電池に対するkWh当たり35ドルの税額控除と、対象となるEVに対する7,500ドルの消費税減税が含まれる。

コナー・ハンド氏は、NanoGrafは今年第2四半期からシカゴの新しい施設でシリコンアノード材料の陸上生産を目指していると述べた。 国防総省も後援している同社は、これまでで最もエネルギー密度の高い3.8アンペア時という18650円筒形電池を開発したと主張している。 技術の鍵となるのは、通常シリコンの上限が 5 ～ 7 パーセントであるセルに対して、アノードのシリコンのパーセントを 25 パーセントまで高めることができる、事前にリチウム化されたコアです。

「シリコンを使用することで、EVの航続距離を20、30、さらには50パーセント向上させる余地は確かにあります」と彼は言う。

しかし、NanoGrafであれ、テスラやパナソニックが主導する大型4680円筒形セルの推進であれ、量産へのスケールアップは依然として大きなハードルとなっている。 NanoGraf は、35 ～ 50 トンのアノード材料に十分な初期生産能力を計画しています。 しかし、自動車メーカーが中国や韓国などからのセルに現在支払っている金額と競争力のあるコストで、電池に対する今や底なしの需要がある自動車分野を開拓するには、年間1,000トンが必要となるだろう。

「あの空間は非常に過酷で、到達しなければならないスケールがある」とフント氏は言う。

願いが 1 つかなえられつつあります。現在、多くの専門家が自動車に使用できるようになるのは 2030 年以降になると主張している全固体電池など、技術面での特効薬を待っている人は誰もいません。 その代わりに、自動車メーカーや電池メーカーは、テスラ、フォード、その他のモデルにおける LFP セルの驚異的な普及など、複数のソリューションに取り組んでいます。

「これらすべての材料が不足しており、ニッケル、コバルト、マンガンも不足しているため、企業がさまざまなソリューションでさまざまな消費者をターゲットにすることは非常に役立ちます。」

西側諸国は、特に中国の既存のソリューションが利用可能な場合に、必要なものすべてを総合的に把握するのに苦労しています。 原材料、アノードまたはカソードだけでなく、セル、モジュール、電解質、セパレーターも含まれます。

「米国のサプライチェーンを強固にするためには、これらすべてのコンポーネントを国内で販売する企業が必要です」と彼は言います。 「グラファイト、電解液、セパレーターなど、上流にも下流にも全員が必要です。全員がパズルの 1 ピースにすぎません。」

フント氏は、テスラや他のモデルで注目を集めた火災がEVの評判を傷つけたり、懐疑的な消費者を警戒させたりする恐れがあるため、より安全な電池も業界の要望リストに載せるべきだと語る。

「今のような速度でバッテリーを自己放電させることはできない」と彼は言う。特に自動車メーカーが世界中でこれまで最大のEV侵略に向けて準備を進めている中だ。

「数百万台の車を道路に押し出し、後から安全に対処するのではなく、今すぐに先手を打つことが非常に重要です。」

2023 年 3 月 14 日更新:この記事は、Lucid の Air Touring モデルが 92 kWh のバッテリーを搭載していることを反映して修正されました。 (この記事の以前のバージョンでは、バッテリーの容量は 112 kWh であると記載されていました。)