次の大きなバッテリーのブレークスルーまでの道のり

電力の課題

俗に言う「エネルギー」と「電力」。 俗に「エネルギー」と「パワー」は同じ意味で使われていますが、電池の話をするときには、この2つを区別することが大切です。

民間ジェット機を1,000km打ち上げ、空中にとどめておくことができるほどのパワーを持つバッテリーは、特に離陸時には、わずかな時間で大量のエネルギーを放出する必要があります。

このパワーの課題に取り組むには、商業用バッテリーのブラックボックスの中を見なければなりません。 少し専門的な話になりますが、お付き合いください。

現在の最先端の電池化学はリチウムイオンです。 少なくともあと10年以上は、リチウムイオンを超える化学物質はないというのが、ほとんどの専門家の意見です。 リチウムイオン電池は、2つの電極（正極と負極）の間にセパレーター（イオンは通すが電子は通さない素材で、ショートを防ぐためのもの）を挟み、電極の間をリチウムイオンが行き来するように電解液（通常は液体）を入れている。

スライスされた2枚のパンを想像してください。 それぞれのパンが電極となり、左が陰極、右が陽極となります。

正極はクラス最高のニッケル、マンガン、コバルト（NMC）のスライスでできており、負極はグラファイト（基本的には炭素原子の層状のシート（スライス））でできていると仮定します。 充電時には、スライスの間からリチウムイオンが取り出され、電解液の中を移動する。 セパレーターがチェックポイントとなり、リチウムイオンだけがグラファイトローフを通過する。 満充電になると、電池の正極板にはリチウムイオンが残らず、すべて黒鉛板のスライスの間にきれいに挟まった状態になる。 バッテリーのエネルギーが消費されると、リチウムイオンは正極に戻り、負極には何も残らなくなる。

バッテリーの容量は、基本的にはこのプロセスの速さで決まります。 しかし、スピードを上げるのはそれほど簡単ではありません。 正極材からリチウムイオンを急激に引き出すと、正極材に欠陥が生じ、最終的には壊れてしまいます。 スマートフォンやノートパソコン、電気自動車など、長く使えば使うほどバッテリーの持ちが悪くなるのは、このためです。

さまざまな企業がこの問題の解決に取り組んでいます。 一つのアイデアは、層状の電極を構造的に強いものに置き換えることです。 例えば、100年の歴史を持つスイスの電池メーカー、ルクランシェ社は、オリビン構造を持つリン酸鉄リチウム（LFP）を正極に、スピネル構造を持つチタン酸リチウム（LTO）を負極に用いる技術を開発しています。

レクランシェ社は現在、同社のバッテリーセルを自律型倉庫用フォークリフトに使用しており、9分で100％まで充電することができます。 ちなみに、テスラの最高のスーパーチャージャーは、テスラ車のバッテリーを10分で約50％まで充電することができます。 Leclanché社は、英国でも電気自動車の急速充電用に同社のバッテリーを展開しています。 これらのバッテリーは、充電ステーションに置かれ、完全に充電されるまで、長い期間にわたってグリッドから少量の電力をゆっくりと引き込みます。 そして、車が停車すると、ドッキングステーションのバッテリーが車のバッテリーを急速充電します。

レッチェのような試みは、バッテリーの化学的性質をいじって電力を増やすことが可能であることを示しています。 しかし、商業用飛行機が重力に打ち勝つために必要なエネルギーを迅速に供給できるほど強力なバッテリーは、まだ誰も作っていません。

新興企業は、比較的電力密度の低い電池で飛行可能な小型の飛行機（12人乗り）や、ジェット燃料で力仕事をして電池で惰性で走る電気ハイブリッド機の製造を目指していますが、商業化に近い形でこの分野に取り組んでいる企業はまだありません。

しかし、商業化に向けて取り組んでいる企業はまだありません。また、カーネギーメロン大学のバッテリー専門家であるVenkat Viswanathan氏は、すべての電気を使った商用機に必要な技術的進歩は、おそらく数十年かかるだろうと述べています。

Reuters/Alister Doyle

エネルギーへの挑戦

テスラのモデル3は、同社の最も手頃なモデルで、35,000ドルから販売されています。

少し前に比べると、驚くほどの低価格です。 ブルームバーグ・ニューエナジー・ファイナンスによると、2018年のリチウムイオン電池の世界平均コストは1kWhあたり約175ドルで、2010年の約1,200ドルから低下しています。

米国エネルギー省の計算によると、電池コストが1kWhあたり125ドルを下回れば、世界のほとんどの地域で、電気自動車の所有・運用コストはガソリン車よりも安くなるといいます。 例えば、長距離トラックにはまだ電気自動車のソリューションがないなど、すべての分野で電気自動車がガス自動車に勝つというわけではありません。

そのための1つの方法は、バッテリーのエネルギー密度を高めることです。つまり、バッテリーパックの価格を下げずに、より多くのkWhをバッテリーパックに詰め込むことです。

実用化に向けて最もエネルギー密度の高い正極は、NMC 811です（数字の各桁は、ニッケル、マンガン、コバルトの混合比率をそれぞれ表しています）。 まだまだ完璧ではありません。 最大の問題は、動作しなくなるまでに比較的少ない回数の充放電のライフサイクルにしか耐えられないことだ。 しかし専門家は、業界のR&Dが今後5年以内にNMC 811の問題を解決すると予測しています。

しかし、10％の増加は大局的に見ればそれほど大きなものではありません。
また、過去数十年にわたる一連の技術革新により、正極のエネルギー密度はこれまで以上に高くなりましたが、最大のエネルギー密度の機会があるのは負極です。

負極材料としては、これまでも、そしてこれからも、グラファイトが圧倒的に優位性を持っています。 特に現在の正極材料と比較して、安価で信頼性が高く、比較的エネルギー密度が高いのです。

例えば、シリコンは理論的にはグラファイトよりもはるかにリチウムイオンの吸収に優れています。

より大きなステップは、完全にシリコンでできた実用的な負極を開発することです。 しかし、シリコンにはそれを困難にする特性があります。 黒鉛はリチウムイオンを吸収しても体積があまり変化しません。

残念ながら、シリコン負極の「固体電解質間相」と呼ばれる部分が破壊されてしまうため、その膨らみに合わせて筐体を大きくすることはできません。

SEIは、鉄が外敵から身を守るためにサビ（酸化鉄）を形成するのと同じように、陽極が自分自身のために作る一種の保護層と考えることができます。 鍛造したばかりの鉄を屋外に放置すると、空気中の酸素と反応して徐々に錆びていきます。

電池の最初の充電が終わると、電極は独自の「さび」の層（SEI）を形成し、電極の侵食されていない部分と電解液を分離します。

しかし、シリコン負極では、電池を使って何かを起動するたびにSEIが壊れ、充電するたびにSEIが再生されます。 そして、充電のたびに少しずつシリコンが消費されていきます。

過去10年間、シリコンバレーのいくつかのスタートアップ企業がこの問題の解決に取り組んできました。 例えば、Sila Nano社のアプローチは、シリコン原子をナノサイズのシェルの中に封じ込め、その中にたくさんの空きスペースを設けるというものです。 そうすれば、SEIはシェルの外側に形成され、シリコン原子の膨張はシェルの内側で起こり、充放電サイクルのたびにSEIが粉砕されることはない。

一方、Enovix社は、特殊な製造技術を用いて、100%シリコンの負極に巨大な物理的圧力をかけ、リチウムイオンの吸収量を少なくすることで、負極の膨張を抑制し、SEIの破壊を防いでいます。

これらの妥協点により、シリコン負極は理論上の高エネルギー密度に達することができません。

これらの妥協点により、シリコン負極は理論上の高エネルギー密度には達しませんが、両社とも黒鉛負極よりも性能が良いとしています。 現在、第三者が両社の電池をテストしています。

テスラ