新しいリチウムイオン設計が寒冷環境でのEV高速充電を実現

世界の電気自動車（EV）市場は堅調な成長を遂げており、販売される車の5台に1台が電動車です。 

昨年、EVの販売台数は25％増加し、世界全体の自動車販売の21％を占めました。

この成長は、気候変動への関心、各国政府の政策支援、価格競争の激化、EVの価格低減、そしてバッテリー技術の進歩といった消費者需要によって牽引されています。

バッテリー分野では、リチウムイオン電池が軽量でエネルギー密度が高く、寿命が長いため、最も人気があり広く使用されています。 

しかし、バッテリー技術の進歩にもかかわらず、既存のリチウムイオン電池は低温や高速充電時の性能が制限されます。電極が厚すぎる場合、質量輸送と界面反応速度の複数の影響を同時に対処する必要があり、性能が低下します。

このため、設計上の妥協が生じ、電化が難しい地域でのバッテリー利用が制限されます。特に、熱管理が困難な極端な環境や構成に当てはまります。 

つまり、リチウム電池の改善には、高エネルギー密度電極、低温動作、そして高速充電という三つのジレンマに対処する必要があります。 

この目的のため、ミシガン大学のエンジニアは、−10℃という低温でも最大6Cの極めて高速な充電を可能にする戦略を導入しました。低温での高速充電は、寒冷地域でのEV性能向上が期待されます。 

氷点下での高速充電は、電極負荷を3mAh/cm2以上に保ちながら実現されました。 

そのために、チームは固体電解質（Li3BO3‑Li2CO3）の原子層堆積を用いて、人工固体電解質界面（SEI）と三次元電極構造を統合する戦略を導入しました。 

この相乗的戦略は、過酷な条件下での界面および輸送の制限を有害なリチウム析出なしに解決できます。電極を改良して質量輸送と界面反応速度を向上させることで、利用可能な容量が増加しました。

研究によると、 Jouleに掲載¹、低温および高速充電条件下でリチウム析出と容量減衰を制御する主要メカニズムに関する基本的な洞察を提供しています。

寒冷環境におけるEVの高速充電

世界的なEVの普及は2010年代以降着実に拡大しています。2020年、主要市場での登録が増加し、COVIDパンデミックにもかかわらず電気自動車は大きな転機を迎えました。 

EVは2020年に記録的な年を迎え、年末までに1,000万台以上が道路を走り、バッテリー電気モデルが拡大を牽引しました。

それ以来、電気自動車はさらに普及し、道路でよく見かけるようになりました。しかし、成長率は現在鈍化しています。 

AAAの消費者調査によると、2023年に新車または中古のEVを購入する可能性が「ある」または「非常にある」と答えた米国成人は23％から2024年には18％に減少しました。さらに、63％が次の車購入をEVにする可能性が「低い」または「非常に低い」と答えました。 

「EVを欲しがっていた早期採用者はすでに所有しています」とAAAの自動車調査部門ディレクター、Greg Brannonは昨夏述べました。「まだEVを採用していない残りの人々は、実用性、コスト、利便性、所有体験を考慮しており、これらが大きなハードルとなり、完全電動への移行を妨げています。」 関心はハイブリッドへシフトしています。

このシフトは、冬季の航続距離低下と充電速度の遅さへの懸念が一因です。冬季にはバッテリーが十分に温まらないと電子の移動が遅くなり、バッテリーを温めて充電準備するのに30分かかることがあります。ミシガン大学のNeil Dasgupta准教授によれば、

「EVバッテリーの充電は、積極的な高速充電でも30〜40分かかり、冬季になると1時間以上に延びます。これが我々が解決したい課題です。」 

研究によれば、航続距離の減少は10％から36％の範囲です。低温では「ほぼすべての化学物質の反応が遅くなる」のです。

そこで、ミシガン大学のエンジニアは、凍結した天候でも高速充電と高い航続距離を可能にするEVバッテリーの製造プロセスを改良しました。これらの主要課題が解決すれば、電気自動車の普及をさらに後押しできるでしょう。

「我々は、このアプローチが既存工場に大きな変更を加えることなくEVバッテリーメーカーに採用できるものと考えています。初めて、低温でもエネルギー密度を犠牲にせず、極めて高速充電を同時に実現する道筋を示しました。」 

– 研究の共同著者、Dasgupta

この新しい製造プロセスを利用することで、リチウムイオンEVバッテリーは14°F（約-10℃）でも最大500％速く充電できます。

この優れた性能は、バッテリー電極上のリチウム析出を防止する構造とコーティングによるもので、リチウム析出はバッテリーの性能低下、容量減衰、サイクル寿命短縮を引き起こし、内部短絡によるリチウムデンドライト形成という安全リスクも伴います。

リチウム析出の形成を防ぐことで、改良されたバッテリーは容量の97％を保持でき、極寒の環境で100回高速充電した後でも同様です。

高速に優れたバッテリーの設計

EVバッテリーは化学エネルギーを蓄え、電気エネルギーに変換します。この変換は、リチウムイオンセルの正極（カソード）と負極（アノード）をセパレーターと電解質で分離した電気化学反応によって駆動されます。 

電解質はリチウム塩などの溶液で、カソードとアノード間のイオン移動を促進します。このイオンの移動が外部回路を通じた電子の流れを駆動し、接続された装置に電力を供給します。

放電時、すなわちバッテリーが使用されているとき、アノードはLiイオンをカソードへ放出します。充電時、すなわち電源に接続されているとき、カソードはリチウムイオンをアノードへ放出します。低温ではイオンの移動が遅くなり、バッテリー出力と充電速度が低下します。

EVの航続距離を伸ばすため、メーカーは電極厚を増やすアプローチを採用しています。これにより、充電の必要性が減り長距離走行が可能になりますが、リチウムの一部がアクセスしにくくなり、充電速度が遅くなり、同じバッテリー重量での出力が低下します。

ミシガン大学チーム以前に改善した² バッテリーの充電能力を、アノードに各40ミクロンの通路を作ることで向上させました。これらのチャンネルは高速イオン輸送の拡散経路として機能しました。

このため、彼らはレーザーパターン加工プロセスを用いて3Dグラファイトアノード構造を作製しました。このプロセスでは、グラファイトをレーザーで照射し、リチウムイオンがより速く格納できる場所を作り出しました。電極内部深くまで加工することで、より均一な充電を実現しました。

テストでは、彼らの設計は4C充電で600サイクル後に91％、6C充電で600サイクル後に86％の容量保持率を示しました。3Dアノード設計は高速充電時に90％以上の容量にアクセスできることも示しました。

室温での充電速度は大幅に向上したものの、低温での充電は依然として非効率的でした。これは、電解質と反応して電極表面に形成される化学層が原因です。

「その析出は電極全体の充電を妨げ、再びバッテリーのエネルギー容量を減少させます。」 

– 研究共同著者Manoj Jangid（ミシガン大学機械工学部上級研究員）

この問題への解決策は、表面層の形成を防ぐことで、リチウムホウ酸塩‑炭酸塩からなる材料でバッテリーをコーティングすることで実現しました。約20nmの厚さのコーティングは低温充電を加速させました。

このコーティングをチャンネルと組み合わせると、試験セルは氷点下で500％速く充電できることが判明しました。

「3次元構造と人工界面の相乗効果により、本研究は低温での高速充電と長距離走行という三つのジレンマを同時に解決できます。」 

– 第一著者Tae Cho（機械工学の新卒博士）

工場導入可能なプロセス開発に向けたその後の研究は、ミシガン州経済開発公社から資金提供を受けています。

ミシガン大学のエンジニアチームは特許取得も申請しています。一方、Arbor Battery Innovations（Dasguptaと大学が財務的利害関係を持つ企業）はチャンネル技術のライセンスを取得し、商業化に向けて取り組んでいます。

革新的な企業

Ford Motor  

さて、バッテリーとEVの世界で革新的な企業を見ると、Elon Muskの時価総額8755億ドルのTeslaが最も顕著ですが、厳しい状況にあります。株価は年初来で32.6％下落し、261.23で取引されています。配当を支払わない同社は、2025年第1四半期に前年から336,681台の車両出荷が13％減少しました。この四半期、TeslaはCEOのMuskがトランプ政権に関与したことから、ボイコット、抗議、さらには犯罪行為に直面しました。

次に、時価総額71億ドルのAlbemarle Corporation (ALB ) があります。これは最大手のリチウム生産者であり、リチウムイオンバッテリー供給チェーンにとって重要です。ALBの株価も年初来で約30％下落していますが、配当利回りは2.68％です。

EVインフラ分野では、ChargePoint (CHPT ) （時価総額2億7330万ドル）も厳しい環境に直面しています。収益が減少し、株価は年初来で44.25％下落し、0.60ドルで取引されています。

では、実際に好調な企業はあるのでしょうか？中国拠点のBYDとCATLは確かにそうです。

中国の自動車メーカー兼バッテリーメーカーは大幅な財務成長を示しており、2024年の年間売上高は1070億ドルで、Teslaを抜いています。報告によると、BYD社長のWang Chuanfuは「BYDはバッテリー、エレクトロニクスから新エネルギー車まで、すべての分野で業界リーダーとなり、外国ブランドの支配を打破し、世界市場の新たな風景を再構築しています」と述べました。

2025年第1四半期には、BYDは約100万台の乗用車を販売し、前年同期比で58.7％増加しました。そのうち20万台以上が海外へ輸出され、前年同期比で110.5％増加しました。株価も年初来で28.77％上昇し、43.78ドルで取引され、配当利回りは1％です。

Contemporary Amperex Technology Co., Limited（CATL）は、香港証券取引所で50億ドルの上場を承認される見込みで、財務基盤を強化し、拡大計画を支援します。

中国以外では、ドイツの自動車メーカーVolkswagen AG (VOW.DE ) も大きな進展を遂げており、2025年第1四半期に世界納車台数は214万台と前年同期比1.4％増加しました。この伸びは欧州と米州の成長によるもので、中国市場での納車は7.1％減少しました。米国市場の不安による世界的な景気後退懸念から、営業利益は低下する見通しです。同社はトランプ政権の自動車関税25％が発効した後、価格引き上げも計画しています。

米国市場に戻ると、Fordは米国自動車メーカーとして市場シェアを拡大できる立場にあります。同社は1903年にHenry Fordによって設立され、ほとんどの車を国内で製造しているため、トランプ大統領の計画から恩恵を受けやすいです。President Andrew Frick:

「我々は米国内で最も多くの車両を組み立て、米国の時間給自動車労働者を他社よりも多く雇用しています。米国でより多く、少なくなく、やりたいと考えています。」

同社は最近、『From America, For America』キャンペーンの一環として期間限定割引オファーを開始し、他メーカーが価格を上げて関税コストをカバーする中、より多くの購入者を引き付けようとしています。

「我々はこのための小売在庫を持ち、車を必要とする顧客に多くの選択肢を提供できます」とFordは声明で述べ、”不確実な時代”と”変化する経済の複雑さ”をこの動きの理由として挙げました。

現在、時価総額は377億ドルで、執筆時点のFord株は8.91ドルで取引されており、今年はわずか4％の下落にとどまっています。EPS（TTM）は1.46、P/E（TTM）比率は6.51、ROE（TTM）は13.42％です。また、魅力的な配当利回り6.32％を支払っています。

2025年第1四半期、Fordは米国販売が1.3％減少し、501,291台となったと報告しました。これはいくつかのモデルの生産中止によるものです。

これはFordが2024年第4四半期の予想を上回った後のことで、CEOのJim Farleyは今後の厳しい年を予測しましたが、コストと品質の改善が約束されています。

今年度、Fordは調整後の利息・税金・償却前利益（EBIT）が70億ドルから85億ドル、調整後のフリーキャッシュフローが35億ドルから45億ドルになると見込んでおり、”市場要因に起因する逆風”を前提としています。

2024年において、同社の総収益は1,850億ドル、純利益は59億ドル、1株当たり利益は1.46ドル、調整後フリーキャッシュフローは670億ドルでした。

FordはEV市場でも大きな進展を遂げており、2024年に全電動車を97,865台販売し、前年比35％増加しました。ハイブリッド販売は187,426台へ40％増加しました。2025年第1四半期には、EV販売が記録的な73,623台に達しました。この26％の成長はハイブリッドが33％、電動車が12％の伸びで牽引しました。

結論

バッテリーはEVの重要な構成要素であり、大幅な改善が進んできました。しかし、バッテリー技術は依然として高コスト、材料供給の不足、走行距離の制限、長い充電時間、インフラ不足、安全性の懸念、適切なリサイクルと廃棄物管理などの課題に直面しています。  (TSLA )

最新の研究は、安定化コーティングとミクロスケールのチャンネルにより、寒冷環境でも航続距離と充電速度のトレードオフを解消するのに貢献しています。

充電速度を大幅に向上させることで、この研究は冬季の航続距離不安や長時間充電というEV採用の主要障壁の一つを取り除く可能性を示しています。これにより、EVの利用だけでなく、電化の広範なトレンドも加速できるでしょう。ただし、プロセスを大規模に実装するには、コスト効率と安全性の維持が必要です。

全体として、業界がより高速で効率的かつ安全なバッテリーを目指す中、このようなイノベーションは完全な電化への最後のハードルを克服し、より環境に優しいクリーンな未来へと導くでしょう。

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参照研究：

1. ​Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). インターフェースエンジニアリングと3D構造により、氷点下でLiイオン電池の6C高速充電を可能にする。Joule、2025年3月17日オンライン掲載。 https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881

2. Chen, K.-H., Namkoong, M. J., Goel, V., Yang, C., Kazemiabnavi, S., Mortuza, S. M., Kazyak, E., Mazumder, J., Thornton, K., Sakamoto, J., & Dasgupta, N. P. (2020). レーザーパターン加工された三次元グラファイトアノード構造により実現したリチウムイオン電池の効率的な高速充電。Journal of Power Sources、471、228475。 https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228475