モビリティの未来 – バッテリーテクノロジー

EVの台頭

テスラが2003年に設立された当時、電気自動車の概念はほとんど冗談とみなされていました。その時点で、すべての電気自動車は実質的に高性能化されたゴルフカートであり、バッテリー航続距離が短く、快適性が低く、サイズが小さく、最高速度も非常に低いものでした。

テスラ・ロードスター（第1世代、2026年に新バージョンが期待されている）は、この認識を一変させ、ラグジュアリースポーツカーと同等の性能を持ち、電気自動車（EV）を一気にクールなものにしました。

EVが急速に実用化された鍵はバッテリー技術の進歩でした。当初は小型電子機器向けに設計されたリチウムイオン電池に依存していましたが、すぐにEV向けにより専用のシステムが開発され、走行距離が向上しました。

2016年でも販売台数は少なかった電気自動車（EV）は、現在では世界販売の指数関数的に増加しており、2022年には1,000万台以上、全体の14％が販売され、中国とヨーロッパが牽引しています。

世界のEV販売 – 出典: IEA

それでも、この進展にもかかわらず、EVの普及に関しては未解決の課題が残っています。高インフレと一般消費者（初期採用者だけでなく）への説得が必要となり、EVの販売は鈍化しています。このため、最近ではGM、フォード、ホンダなどの大手メーカーがEV戦略の延期または中止を余儀なくされています。

現在の制限

初期のEV愛好家は、より炭素中立で新技術を象徴する車両を使用できることに喜んでいました。環境への関心が低い購入者は、さまざまな理由でEVに対してやや懐疑的です。

• 価格: ほとんどのEVは依然として同等の内燃エンジン車より高価です。金利上昇により、多くの人にとってEVは高すぎる可能性があります。
• 航続距離への不安: EVの価格を下げる方法の一つは、より小さなバッテリーパックを選択することです。しかし、航続距離が短くなると長距離走行が困難になり、充電時間も長くなります。
• 低温環境: 気候が寒いほどバッテリーへのダメージが大きくなります。多くのEVは冬の夜間に暖かいガレージに入っていないと充電が必要です。さらに、低温は理論上の航続距離を減少させます。
• 充電インフラ: アパートに住む人は、公共の充電ステーションが十分でない場合、EVの充電が難しいと感じるかもしれません。長い待ち列、低速充電、または近くにステーションがないことは、悪い体験につながります。
• バッテリーの安全性と耐久性: リチウムイオン電池は大量のエネルギーを蓄えます。また、電解質は非常に可燃性です。これにより、特に地下駐車場など閉鎖空間で安全リスクが生じます。内燃車が燃えにくいわけではありませんが、依然として懸念材料です。
• 電力網: EV購入者に直接の懸念ではありませんが、業界全体にとっては問題になる可能性があります。電力網はすでにやや逼迫しており、何百万台もの車両の充電需要に対応できないかもしれません。また、電力供給源が化石燃料、特に石炭に依存している点も課題です。

現在のEVに関する多くの課題は、より優れたバッテリーで解決できます。充電が遅い、航続距離が短い、安全性の問題、低温への感度、さらには価格もすべて現在のリチウムイオン電池の特性です。

研究者や業界リーダーは、既存設計の改良や全く新しいバッテリー構造の発明に取り組み、これらの欠点を克服しようとしています。

総じて、エネルギー密度の高いバッテリーは、より安価で安全性が高く、寿命が長く、充電が速くなることを意味します。

リチウムバッテリーの改善

最初のステップは、既存のバッテリーを改善し、この技術に関する豊富な知識と経験を活かすことです。一部の研究者は、現在のバッテリー世代は2030年まで段階的に改良できると考えています：「リチウムイオン電池とその先の展望—2030年ビジョン」

最初のステップはバッテリーの 正極 部分を改善することです。現在、リチウムイオン電池の正極は主にリチウムとニッケルで構成されています。バッテリーが劣化する際の結晶構造と化学変化を深く理解すれば、バッテリーの全ての仕様が向上する可能性があります。

負極は現在グラファイトで作られていますが、エネルギー密度が5〜10倍高いシリコンまたはシリコン酸化物に置き換えることが検討されています。シリコン負極は「劣化」が速く、これまで困難でしたが、グラファイト‑シリコン混合物は徐々に普及しており、バッテリー全体のエネルギーを向上させる可能性があります。

電解質を変更することも有効です。新しい液体溶媒、より濃縮された電解質、あるいはゲル状電解質などが安全性を向上させ、バッテリー密度を高める可能性があります。

最後に、バッテリーとEVの関係を最適化するための設計改善も検討されています。多くのEVメーカーは、エネルギー貯蔵と車体構造部材の両方を兼ねる「構造バッテリー」を採用し始めています。これにより車体重量が削減され、効率と航続距離が向上します。ロールスロイス、テスラ、ボルボはすでにこの概念に取り組んでおり、航続距離を16％伸ばす可能性があります。

固体電池

長らく理論上で語られ、実験室で徐々に実現しつつある固体電池は、バッテリー技術の聖杯と称されています。

この概念は液体電解質を完全に排除し、バッテリーの重量を大幅に削減し、エネルギー密度を劇的に向上させることです。可燃性の電解質を除去することで安全性が大幅に向上し、製造工程も簡素化され、製造ラインで up to 3 weeks in the manufacturing lineが期待されます。

さらに、この設計は3〜5分でほぼフル充電が可能とされ、ガソリン車の給油時間と同程度です。

多くの企業が2026〜2029年に固体電池の独自バージョンを発売すると発表しています。これにはQuantumScape（QS）、CATL（300750.SZ）、トヨタ（TM）、パナソニック（6752.T）、LG（051910.KS）、サムスンSDI（006400.KS）が含まれます。現在、テスラ（TSLA）はリチウムイオン技術に基づく4680電池セルという固体電池の代替案に取り組んでいます。

固体電池の課題

固体電池の開発は、実験室レベルのプロトタイプを大量生産に拡大する際の困難に悩まされています。信頼性が高く自動化された低コスト生産はまだ検討段階であり、固体電池が市場に出る時期は最良でも2026〜2028年頃と見込まれます。

出典: Vertex Holdings

さらに、固体電池は現在のリチウムイオン電池よりもはるかに多くのリチウムを使用するため、2022年に2年間で10倍に上昇したリチウム価格の急騰が再び起こる可能性があります。また、リサイクルも困難になる可能性があります。

「凝縮」電池

固体電池を待たずに、非常に高密度の電池を見ることができるかもしれません。CATLは「凝縮物質」電池を開発したと発表し、500 Wh/kgに達することが可能です。同社は短期間での量産も可能と主張しており、業界リーダーであることから信頼性があります。

これは以前は固体電池だけが達成できると考えられていた密度レベルです。また、電動航空機やこれまで電化が不可能だった他の用途を検討し始めるために必要なレベルでもあります。

代替バッテリー化学

リチウムイオンに代わるバッテリーの候補は多数ありますが、軽量・高密度・安全性の適切な組み合わせを持つ化学系は限られています。

長期的には、これらの代替バッテリーの一部が、特に価格に敏感な自動車大量市場において、コストの高いリチウム電池に取って代わる可能性があります。

リチウム・鉄（フェリウム）リン酸塩電池 – LFP

LFP電池は長らくエネルギー密度が低く（従来のリチウムイオン電池より30〜40％低い）モビリティ用途から外れていましたが、最新の化学バージョンは旧世代のリチウムイオン電池と同等の密度に達し、低コスト車両でも実用的になっています。

LFPの大きな利点は、従来のリチウムイオン電池の価格要因であるニッケルやコバルトを必要としないことです。対照的に、鉄とリン酸は豊富で安価です。また、LFPは寿命が長くなる傾向があり、バッテリーシステムの総コストをさらに削減します。

LFPの主要メーカーは中国のCATL（300750.SZ）で、BYD（BYDDF）も同様です。なお、同社は世界のバッテリーの半分を製造する地位を維持するため、他の選択肢も検討しています。

それにもかかわらず、2023年8月に発表された700km走行可能なLFPバッテリーは、わずか10分で400kmの航続距離を回復できることから、LFP市場への関心は依然として高いです。

ナトリウムイオン

コバルトやニッケルに加えて、リチウムはリチウムイオン電池におけるもう一つの高コスト資源です。対照的に、ナトリウムは非常に豊富で安価であり、リチウムのように供給不足になる可能性は低いです。

中国の大手自動車メーカーであるBYDは、新しい低価格モデル「Dolphin」と「Seagull」にナトリウムイオン電池を採用する意向を発表しました。特にSeagullは約10,000ドル（残念ながら中国のみ）で提供される可能性があります。

これは、2021年にCATLが高密度ナトリウムイオン電池を発表したことに続くものです。2023年11月、欧州のNorthvoltはナトリウムイオンでの突破口を発表し、CATLと同等の160 Wh/kgのエネルギー密度を実現しました。

LFPやリチウムイオンほどエネルギー密度は高くありませんが、ナトリウムイオンははるかに安価で、現在のニッケル使用バッテリーの約3分の1の価格になる可能性があり、量産市場で勝つ可能性があります。

その他の化学系

それぞれを詳細に検討するには長すぎますが、モビリティ用途のバッテリーとして将来的に有力な候補となり得る他の化学系も多数存在します。ただし、これらの技術はまだ初期段階にあり、短期的にEVへの採用は見込みにくいです。

ガラス電池

非常に豊富な材料のみを使用する興味深いアイデアで、現在他の研究者は自らのラボで再現に苦戦しています。しかし、このアイデアはリチウムイオン電池の発明者であるグッドナフ氏（2023年夏に亡くなりました）によって支持されているため、無視できません。

グラフェン電池

炭素原子の単層であるグラフェンは極めて導電性が高いです。Graphene Manufacturing Group（GMG.V）は、リチウムイオンより高密度で、充電が70倍速く、寿命が3倍長いグラフェン/アルミニウム電池の開発を推進しています。同社は鉱業大手（かつグラファイト採掘企業）のリオ・ティントと協力し、2025年に大規模生産を開始する計画です。

マンガン水素電池

これらの電池はリチウムの代わりにマグネシウムを使用します。このタイプの電池は「準固体状態」と呼ばれ、-22°C（-7°F）といった低温でも優れた性能を発揮できるとされています。

リチウム硫黄電池

これらの電池は高価なコバルトやニッケルの代わりにリチウムと硫黄を使用します。初期段階にもかかわらず、非常に高いエネルギー密度を示しています。しかし、耐久性に関する課題があり、既存の化学系の有力な代替となるには、はるかに耐久性を向上させる必要があります。

出典: Vertex Holdings

ナトリウム硫黄電池

これらの電池はこれまで高温（300°C）で維持される用途に限定されていました。しかし、硫黄の溶解を防ぐ新しい電解質により、この条件が不要になる可能性があります。したがって、強力かつ低コストな電池を実現する新たな方向性となり得ます。

アルミニウムイオン電池

この技術はリチウム負極をアルミニウム負極に置き換えます。グラファイトの代わりにポリマーを使用することで、これらの電池は高い蓄電容量を実現できる可能性があります。

アルミニウム空気電池

これらの「電池」はアルミニウムを燃料のように消費し、使用するEVに燃料車（1回の給油で1,600km）よりも長い航続距離を提供し、リチウムイオン（1,350 W/kg）よりもはるかに高いエネルギー密度を実現します。これにより、電動航空機の電源としても潜在的に利用可能です。

消費されたアルミニウムは90秒で新しいアルミニウムに交換でき、使用済みの「燃料」はリサイクルされます。この技術は既存のEVに組み込むことで、航続距離をさらに伸ばすことも可能です。

現在、この技術の開発における主な制約は、真のバッテリーでも燃料電池でも水素ベースでもないため、既存のグリーン政策の支援対象外となり、公共の支援を受けられないことのようです。