エネルギー
予防は治療に勝る – EISがEVバッテリーの健康改善に活用される方法
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電気自動車（EV）は、過去数年間でクリーンエネルギーと持続可能な交通への世界的な転換に牽引され、急速に関心を集めています。
排出ガスがゼロであるため、EVはガソリンやディーゼル車に比べて環境に大幅に優れています。これにより、道路輸送の脱炭素化に不可欠な技術となりますが、道路輸送は世界排出量の約6分の1を占めています。
また、内燃車に比べて走行コストやメンテナンス費用が低く、はるかに効率的で手頃な価格です。
その結果、EVの人気と普及は大幅に拡大しており、2023年には販売された車の約5台に1台が電気自動車となっています。2020年に1000万台を突破した後、昨年には道路上の電気自動車は4000万台に達しました。
2023年だけで、電気自動車の販売はほぼ1400万台に達し、その95％は中国、ヨーロッパ、米国での販売でした。この拡大により、EVは現在、世界の新車販売全体の約20％を占めており、2030年までに50％にまで急増すると予測されています。
EVは1種類だけではなく、実際にはいくつかのタイプがあります：
- バッテリー電気自動車（BEV）
- プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）
- ハイブリッド電気自動車（HEV）
- 燃料電池電気自動車（FCEV）
これらの中で、バッテリー駆動のEVが最も一般的で、2023年の電気自動車在庫の70％を占めています。
BEVは電力だけで走行し、外部から充電可能です。ハイブリッドやプラグインハイブリッド車に比べて効率が高いです。
バッテリーはEVのエネルギー源であるため、電気自動車の最も重要な部品です。内燃エンジンをバッテリーに置き換えることで、汚染を大幅に削減し、風力や太陽光などの再生可能エネルギーの統合を支援し、持続可能性を確保できます。
EVにおいては、バッテリーの状態が性能を左右します。また、バッテリーの容量はキロワット時（kWh）で測定され、どれだけの電力を蓄え、1回の充電でどれだけ走行できるかを示します。
バッテリーのエネルギー密度が高いほど、1回の充電で走行できる距離が長くなります。また、急速充電はEVオーナーが車を迅速に充電できるようにするために不可欠です。
現在、EVはリチウムイオンをはじめとするさまざまなバッテリーを使用しています。リチウムイオンが最も一般的です。鉛酸バッテリーはコスト効率と長寿命から特に米国で人気があります。一方、リチウム硫黄は理論上の充電容量を高めます。
環境意識の高まりや政府のインセンティブに加えて、特にバッテリー技術の進歩がEVをより効率的かつ手頃な価格にし、電気自動車の採用を促進しています。
したがって、バッテリーはEVおよびクリーンエネルギー転換全体で重要な役割を果たすため、その状態や性能を正確に把握することが不可欠です。そのため、研究者はバッテリーの状態を高精度で監視し、長期的な効率と安定性を最大化する新技術を開発しました。
EVバッテリーの精密診断技術
韓国科学技術院（KAIST）の研究者は、わずかな電流でEVバッテリーの状態を正確に診断できる新技術を開発しました。この技術は、バッテリーの効率的な管理と安全な使用に不可欠です。
この開発は先週KAISTが発表しました。電気工学部の李相国教授と権慶河教授が率いる研究チームが電気化学インピーダンス分光法（EIS）技術を構築したと述べました。
このEIS技術は、電気自動車の高容量バッテリーの性能と安定性を向上させるために活用できます。
電気化学インピーダンス分光法は、バッテリーのインピーダンスの大きさと変化を測定する強力なツールであり、バッテリーの効率と損失を評価できます。
バッテリーインピーダンスは、バッテリー内部の電流流れに対する抵抗の測定値です。この非侵襲的な方法は、バッテリーの故障を防ぐために、初期の弱化や劣化の兆候を特定し、性能と状態を検査します。
バッテリーの充電状態（SOC）と健康状態（SOH）を評価する重要なツールであり、化学的・物理的変化の分析、熱特性の記述、故障原因の特定、バッテリー寿命の予測も可能です。
しかし、従来のEIS機器は高価であるだけでなく、複雑でもあり、設置・操作・保守が困難です。
さらに、精度と感度の制限があります。数アンペアの電流擾乱をバッテリーに加えると、かなりの電気的ストレスが生じ、火災やバッテリー故障のリスクが高まります。そのため、実用上の使用が難しくなります。
そこで、これらの課題に対処するため、KAISTのエンジニアチームは低電流EISシステムを開発し、高効率EVバッテリーの状態と健康を診断できるようにしました。
この新システムは、10mAという低電流擾乱でバッテリーインピーダンスを正確に測定できます。測定中に新しいEIS技術は熱影響と安全性の問題を最小化します。
このシステムのもう一つの利点は、かさばる高価な部品の必要性を減らすことです。したがって、車両に容易に統合できます。
新しいEISシステムは、さまざまな動作条件下でEVバッテリーの電気化学特性を判定する成功を実証しています。これには、さまざまな温度と充電状態（SOC）レベルが含まれます。
このシステムは、従来の高電流EIS手法と比較して測定精度が高く、複雑さとコストが低減され、EVのバッテリーマネジメントシステム（BMS）への統合が容易であるため、EVにとって非常に有益です。
共同著者の権慶河教授によれば、このシステムはエネルギー貯蔵システム（ESS）のバッテリー診断と性能向上にも寄与できるとのことです。
EVバッテリーの状態と安全性に関するその他の開発
バッテリーの重要性を踏まえ、研究者はその状態を把握するさまざまな方法に取り組んできました。結局のところ、EVバッテリーの容量は一定の使用で約6.5年で約10％低下します。過充電や過放電もこの低下に寄与します。
昨年、ミシガン工学部の研究チームは、バッテリーを分解せずに診断・監視する式を作成しました。この式は他の光子・電子デバイスにも適用でき、あらゆるバッテリー材料の組み合わせに対応します。
研究者がバッテリーを調査する方法の一つは、壁のコンセントから来る電流に似たがはるかに弱い微弱な交流電流をバッテリーに印加して探査することです。この過程で、インピーダンスは交流電流の周波数や方向転換の速さに応じて変化します。
重要な指標は、周波数を低から高へスイープして得られるインピーダンスの周波数依存性です。これを実現するためには、バッテリー材料とその特性との関係を構築する必要があります。しかし、チームは独自の式でこの関係を記述しました。数周波数でインピーダンスを測定すれば、その式は広範な周波数帯域にわたるインピーダンスを予測できます。
チームによれば、この式はごく少数の実験データ点だけで材料インピーダンスを示す手段です。さまざまな材料で作られたデバイス内の電流の流れをモデル化するプロセスを簡素化し、事前に材料の微細構造を把握する必要もありません。
さらに、より優れた固体電解質の設計、バッテリー他コンポーネントのインピーダンス特性の特定、充放電時の安全で効率的な制御を実現する正確なバッテリーモデルの構築に役立ちます。
当時、チームはこの式を用いて混合材料の固体電解質を理解・設計し、より高い容量と安全性を実現する計画だと述べました。
構造バッテリー設計、材料、モニタリングシステムの進展は継続しており、内部短絡や熱暴走を防止する安全対策が強化されています。そのため、研究者はシリコン系アノード、特にアノード層内のSiO粒子分布に注目し、サイクル中の副作用を抑えつつエネルギー密度を高め、安全性と寿命を向上させようとしています。
バッテリーの設計・組立において、接着剤も重要な要素として浮上しており、バッテリーセルと冷却システム間の熱インターフェースを最適化して性能を向上させ、さまざまな材料を結合して設計柔軟性を高め、安全性のためのエネルギー管理を改善し、製造プロセスの効率化でコスト削減を実現します。
研究者や企業はバッテリー材料の発見や製造にAIを活用しています。近年、EVバッテリー技術は大きく進歩しましたが、材料、設計、航続距離、バッテリーマネジメントシステムに関してはいまだに課題が残っています。
EVのバッテリーマネジメントシステム（BMS）は、バッテリー性能を最適化することで効率・安全性・長寿命を確保するものです。従来のバッテリー健康状態や充電状態の予測は正確ではなく、これを受けてBMS向けに機械学習アルゴリズムが導入され、リアルタイムデータを分析してバッテリーの健康状態（SOH）と充電状態（SOC）を精密に推定します。BMSはこれらの推定値を用いてバッテリー性能を最適化します。
世界のEVバッテリー組立・テスト市場は急速に成長しており、2023年に19億ドルと評価されました。この市場は今後8年間で年平均成長率（CAGR）17.6％以上で拡大し、2032年には78億ドルに達すると予測されています。
この成長は、EVの採用拡大とそれに伴うバッテリー生産、バッテリー化学の技術進歩、バッテリー安全性・信頼性要件の向上、持続可能性への関心と炭素排出削減への取り組みが牽引しています。
数か月前、米国エネルギー省（DOE）は発表しました、重要なバッテリー領域の研究・開発・導入を促進するために4300万ドルの資金を提供することを。 このイニシアチブの目的は、低コストのEVバッテリー製造の革新を推進し、故障を減少させ、バッテリー安全性を向上させ、バッテリー材料の国内サプライチェーンを強化することです。
これは米国の交通部門脱炭素化に向けた国家ブループリントに沿ったもので、バッテリー技術を進化させ安全かつ効率的なゼロエミッションEVを動かすことで、2050年までに交通部門の全排出をなくすことを目指しています。
EVバッテリーマネジメントの進展に貢献する企業
ここでは、EVバッテリーの健康技術、BMSシステム、EISの進展という交差点で活動し、EV市場の持続とバッテリー寿命・安全性の最適化に不可欠な企業を見てみましょう。
Elon MuskのTesla (TSLA )は最も著名な企業の一つで、EV向けの高容量・長寿命バッテリーに深く投資しています。今年はTesla株が4.83％上昇し、時価総額は現在8307億ドルです。
TSLA 価格チャート
次に、時価総額32億4000万ドルのQuantumScape Corporation (QS )は、EV向けの固体リチウム金属バッテリーを開発しています。一方、時価総額19億ドルのEnovix Corporation (ENVX )は、先進的なシリコンアノードリチウムイオンバッテリーを開発しています。時価総額111億8000万ドルのAlbemarle Corporation (ALB )は、リチウムの主要生産者であり、バッテリー効率と安全性の向上に取り組んでいます。QS、ALB、ALBの株価はそれぞれ今年6.47％、34.14％、13.14％下落しています。
Analog Devices (ADI )は時価総額1140億ドルの企業で、株価は年初来15.67％上昇しています。一方、EVバッテリー向けのバッテリーマネジメントシステム（BMS）ソリューションも提供しています。
ここで、今年好調な別の関連企業を詳しく見てみましょう。
General Motors Company
時価総額592億ドルの自動車大手の株価は今年好調です。2024年が残り2か月余りとなる中、GMの株価は46.77％上昇し、現在52.9ドルで取引されています。EPS（TTM）は9.37、P/E比（TTM）は5.63、配当利回りは0.91％です。
GM 価格チャート
General Motors (GM ) は、車、トラック、部品の設計・製造・販売に加えて、ソフトウェア対応サービスも提供しています。また、Ultiumプラットフォームを通じてEVフリート向けのバッテリー技術、安全性、性能の先進的な取り組みを推進しています。
Ultiumは2020年に初めて発表され、CEOのMary Barraは次のように述べました：
「マルチブランド、マルチセグメントのEV戦略で、フルサイズトラック事業と同等の規模の経済を実現し、はるかに低い複雑性で、さらに柔軟性を高めたものです。」
最近の会合で、BarraはUltiumバッテリーブランドは廃止されるが、EV販売は改善すると述べました。GMのEVラインナップには、Chevy EquinoxとBlazer、GMC Hummer EV、Cadillac Lyriq、Cadillac Celestiqが含まれます。
Kurt Kelty、GMのバッテリーセル副社長は、Ultiumが新しいEVモデル群の立ち上げを支援する重要性を認め、次のように指摘しました：
「（同社の）『ワンサイズ・フィット・オール』から新プログラム専用バッテリーへの移行」
GMは現在、複数のバッテリー化学を検討しており、性能要求により適切に応えることを目指しています。
同社はミシガン州にバッテリープロトタイピングセンターを2027年に開設する計画で、バッテリー開発期間を最大で1年短縮できる見込みです。
今週、GMは報告しました2024年第3四半期の決算を。四半期売上高は490億ドルで前年同期比10％増、調整後自動車フリーキャッシュフローは58億ドルで前年より9億ドル増加しました。この期間中、GMは10億ドル相当の自社株買いを実施しました。
同社は第3四半期に米国での小売市場シェアが拡大した一方、中国での事業環境は依然として厳しいままでした。インフレ圧力により保証コストも増加しました。
EVに関しては、同社は今年北米で20万台のEVを生産する計画です。進捗はあるものの、GMのEV事業はまだ収益性の確保に取り組んでおり、EV損失の改善額は20億〜40億ドルと見込んでいます。
結論
政府の政策、インセンティブ、産業戦略に支えられ、クリーンエネルギー転換が急速に加速する中、世界は電気自動車へとシフトしています。EVの急速な成長はバッテリーの重要な役割を強調し、高効率と安全性が求められます。電気化学インピーダンス分光法や革新的なバッテリーマネジメントシステムといった技術は、EVバッテリーの健康状態の監視を洗練させ、より安全で持続可能なEV利用に貢献します。
より多くの研究、企業、政府がEVバッテリー診断の改善に注力すれば、長寿命バッテリー、安全な設計、効率的な電力蓄積が実現し、EVが主流採用に至るために不可欠となります。これらのイノベーションは、野心的な世界的気候目標の達成をさらに後押しし、よりクリーンで持続可能な未来へと導きます。
