電気自動車用蓄電池
電池のライフサイクルは非常に長く、企業や国を超えた密接な協力が必要である。現在、原材料の段階と電池の製造・運用の段階は確立されていない。しかし、使用後の管理段階では、経済的な理由から、特にリサイクルプロセスの成長に苦労しています。例えば、オーストラリアでは、2017年から2018年にかけてリサイクルのために回収されたリチウムイオン電池はわずか6%であった。しかし、ループを閉じることは非常に重要である。将来的にニッケル、コバルト、リチウムの供給が逼迫すると予測されているからだけでなく、EV用バッテリーのリサイクルは環境面での利益を最大化できる可能性がある。Xuらは、持続可能な開発シナリオにおいて、リサイクルを実施しない場合、リチウム、コバルト、ニッケルは将来的に既知の埋蔵量に達するか、それを超えると予測している。CiezとWhitacreは、バッテリーのリサイクルを展開することで、採掘による温室効果ガス(GHG)の排出を一部回避できるとしている。
EV用バッテリーのライフサイクルをより深く理解するためには、さまざまな段階での排出量を分析することが重要である。CiezとWhitacreは、NMCの円筒形セルを例にとり、米国の平均的な電力網の下で、原材料の前処理と電池の製造時に約9 kg CO2e kg battery−1が排出されることを明らかにした。その中でも最も大きな部分を占めるのが原料の前処理であり、排出量の50%以上を占める。NMCパウチセルを使用した場合、総排出量はほぼ10 kg CO2e kg battery−1に増加するが、材料の製造は依然として排出量の50%以上を占めている。使用済み製品の管理段階では、再生プロセスはライフサイクル排出量にほとんど追加されない。一方、CiezとWhitacreが示唆したように、リサイクルプロセスでは、かなりの量の温室効果ガスを排出する。電池リサイクルの排出量プロットaとcに示すように、リサイクルプロセスの排出量は、リサイクルプロセスの違い、化学物質の違い、形態の違いによって異なる。したがって、リサイクルしない場合に比べて回避できる正味の排出量も、これらの要因によって異なる。一見すると、プロットbとdに示されているように、パウチ型電池のリサイクルには直接リサイクルプロセスが最も理想的なプロセスであり、一方、円筒型セウには湿式プロセスが最も適している。しかし、エラーバーが表示されており、自信を持って最適な方法を選ぶことはできない。注目すべきは、リン酸鉄リチウム(LFP)化学では、純利益がマイナスになることである。LFPセルは、製造に高価でエネルギーを必要とするコバルトやニッケルを含まないため、採掘した方がエネルギー的に効率が良い。一般的に、EV用電池のライフサイクルにおける排出量を削減するためには、単一のセクターの成長を促進するだけでなく、より総合的な取り組みが必要である。レアアースの総供給量が有限であることは、一見、リサイクルの必要性を正当化しているように見える。しかし、リサイクルの環境面での利点は、より詳細に検討する必要がある。現在のリサイクル技術に基づけば、リサイクルの純利益は、選択されたフォームファクター、化学物質、リサイクルプロセスに依存する。
EV用電池の製造工程には、大きく分けて「材料製造」「セル製造」「統合」の3つの段階があり、EV用電池の製造工程グラフでは、それぞれ灰色、緑色、オレンジ色で示しています。なお、この工程には、電池の筐体や集電体などのハードウェアの製造は含まれていない。材料製造工程では、まず活物質、導電性添加剤、ポリマーバインダー、溶媒を混合します。その後、集電体に塗布され、乾燥工程に入る。この段階では、電極や化学物質によって活物質の製造方法が異なる。正極では、リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト酸化物(Li-NMC)などの遷移金属酸化物と、リチウム・鉄リン酸塩(LFP)などのリチウム金属リン酸塩の2つが最も一般的である。負極には、現在最も一般的な化学物質であるグラファイトが使用されている。しかし、最近では、Si混合負極(Sila Nanotech社、Prologium社)やLi金属負極(Cuberg社、Solid Power社)を製造する企業が多くなってきている。一般に、活物質の製造には、材料の準備、材料の加工、精製の3つのステップがある。Schmuchらは、材料製造についてより詳細に論じている。
セル製造の段階では、準備された電極は、円筒形、長方形、またはパウチ形式でパッケージングするために、所望の形状に加工される。その後、電解液を充填し、セルを密封した後、電池セルを慎重に循環させ、陽極を保護する固体電解質界面(SEI)を形成する。そして、これらの電池をパックに組み立て、自動車に搭載する準備をする。電池の製造工程については、Kwadeらがより詳しく解説している。
電気自動車のバッテリーパックは、容量が70%から80%に劣化すると寿命を迎えると定義されている。廃棄物処理の方法の一つとして、電池パックの再利用がある。電池パックを定置用に再利用することで、電池パックからより多くの価値を引き出しつつ、1nbspkWhあたりのライフサイクルへの影響を低減することができる。しかし、電池の第二の人生を実現することは容易ではない。いくつかの課題が、バッテリー再生産業の発展を妨げている。
まず、電気自動車の運転中には、不均一で望ましくないバッテリーの劣化が起こる。各バッテリーセルは、運転中の劣化の度合いが異なる可能性がある。現在、バッテリーマネジメントシステム(BMS)から得られるSOH(State of Health、健全性)情報は、パックレベルで抽出することができる。セルの健全性情報を得るためには、次世代のBMSが必要である。また、寿命末期にSOHが低くなる原因は、動作時の温度、充放電パターン、カレンダーの劣化など多くの要因が考えられるため、劣化の機構が異なる可能性がある。したがって、SOHを知っているだけでは、再生パックの品質を保証するのに十分ではない。この課題を解決するために、エンジニアは次世代の熱管理システムをエンジニアリングすることで、劣化を軽減することができる。バッテリー内部の劣化を完全に理解するためには、第一原理法、物理ベースのモデル、機械学習ベースの手法を含む計算手法が連携して、さまざまな劣化モードを特定し、過酷な運用後の劣化レベルを定量化する必要がある。最後に、バッテリーパックの品質を確保するために、電気化学インピーダンス分光法(EIS)などの、より効率的なバッテリー特性評価ツールを使用する必要がある。
第二に、モジュールやセルを分解するには費用と時間がかかる。最後の点に続いて、最初の段階は、バッテリーモジュールの残存SOHを決定するための試験である。この操作は、引退したシステムごとに異なる可能性がある。次に、モジュールを完全に放電させなければならない。その後、パックを分解し、再利用後の応用の電力とエネルギーの要件を満たすように再構成する必要がある。高重量・高電圧のEV用バッテリーを解体するには、資格を持った作業員と専用の工具が必要であることに留意する必要がある。前節で述べた解決策の他に、再生業者はこのプロセスの費用を削減するために、モジュールからの放電エネルギーを販売または再利用することができる。解体プロセスを高速化するために、このプロセスにロボットを組み込む試みがいくつか行われている。この場合、ロボットはより危険な作業を扱うことができ、解体プロセスの安全性を高めることができる。
第三に、電池技術は透明性がなく、標準化されていない。電池の開発はEVの中核部分であるため、メーカーがパックに正極、負極、電解質の化学的性質を正確に表示することは困難である。また、セルやパックの容量や設計は1年単位で変化する。再生メーカーは、これらの情報をタイムリーに更新するために、メーカーと密接に連携する必要がある。一方で、政府はラベリングの基準を設定することができない。
最後に、再生プロセスは、使用済みバッテリーに費用を加える。2010年以降、バッテリーの費用は85%以上減少しており、これは予測を大幅に上回る速さである。再生のための費用が加わるため、再生品は新品のバッテリーよりも市場での魅力が落ちる可能性がある。
それにもかかわらず、第2世代のEV用バッテリーを使用したストレージプロジェクトの例に示されるように、第2世代のアプリケーションではいくつかの成功例がある。二次電池は、ピークカットや再生可能エネルギー発電のための追加ストレージとして、それほど要求の高くない定置型ストレージアプリケーションに使用される。
二次利用を可能にすることで電池の寿命を延ばすことができるが、最終的にはEV用電池をリサイクルする必要がある。現在、リサイクルプロセスには、「乾式回収」「物理的材料分離」「湿式金属再生」「直接リサイクル法」「生物学的金属再生」の5種類がある。最も広く使われているのは、現在のリチウムイオン電池のリサイクル施設の例にあるように、最初に挙げた3つのプロセスでる。後半の2つの方法は、まだ実験室やパイロットスケールであるが、潜在的には鉱山からの最大の排出量を回避することができる。
乾式製法は、高温の炉を用いて、電池材料をスラグ、石灰石、砂、コークスと一緒に燃焼させ、合金を製造するものである。その結果、合金、スラグ、ガスが生成される。ガスは、電解質やバインダーから蒸発した分子で構成されている。この合金は、湿式製錬法によって構成材料に分離することができる。アルミニウム、マンガン、リチウムの混合物であるスラグは、湿式製錬プロセスで再生されるか、セメント産業で使用される。このプロセスは非常に汎用性が高く、比較的安全である。事前に選別する必要がないので、さまざまな種類のバッテリーに対応できる。また、電池全体を燃焼させるため、集電体からの金属が製錬プロセスに役立つ可能性があり、電解質の砂のプラスチックを燃焼させる発熱反応のため、エネルギー消費量も少なくて済む。しかし、このプロセスは比較的高いエネルギー消費を必要とし、再生できる材料も限られている。物理的材料分離は回収物を機械的に粉砕し、粒子径、密度、強磁性、疎水性などの異なる成分の物理的特性を利用する。銅、アルミ、鉄などのケーシングは選別により回収できる。残りの材料は「ブラックマス」と呼ばれ、ニッケル、コバルト、リチウム、マンガンなどで構成されており、回収するには二次処理が必要である。湿式製錬法では、正極材を粉砕して集電体を取り除く必要がある。その後、正極材を水溶液で浸出し、正極材から目的の金属を抽出する。直接正極リサイクルは、その名の通り正極材料を直接抽出し、新しい正極原体として使用可能な正極電力を得ることができる。このプロセスでは、液体または超臨界CO2を用いて電解質を抽出する。 回収した成分のサイズを小さくした後、正極材を分離することができます。生物学的金属再生(バイオリーチング)では、微生物を使って金属の酸化物を選択的に消化する。その後、リサイクル業者がこれらの酸化物を還元して金属ナノ粒子を生成する。バイオリーチングは鉱業では成功しているが、リサイクル業界ではまだ初期のプロセスであり、さらなる調査の機会がたくさんある。
リサイクル技術の開発と展開を促進するために、世界中で多くの取り組みが行われている。米国では、エネルギー省の車両技術局(VTO)が、リサイクルプロセスの革新と実用化を目的とした2つの取り組みを行っている。ReCellリチウムリサイクル研究開発センターでは、3つの大学と3つの国立研究所が協力して、革新的で効率的なリサイクル技術を開発している。特に、正極の直接リサイクル法はReCellセンターで開発されたものである。一方で、VTOはバッテリーリサイクル賞を設け、現在の課題を解決するための革新的な解決策を見つけるアメリカの起業家にインセンティブを与えている。
電気自動車への移行は、2060年までに特定の金属の供給量を87,000%増加させる必要があると推定されており、これらの金属は最初に採掘される必要があるが、将来的にはリサイクル(上記参照)で需要の一部をカバーすることができる。英国だけでも、3,150万台のガソリン車を電気自動車に切り替えると、「コバルト207,900トン、炭酸リチウム264,600トン、ネオジムとジスプロシウム7,200トン、銅2,362,500トン」が必要になり、全世界で切り替えると、この40倍の量が必要になると推定されている。IEAの2021年の調査によると、電気自動車による需要をカバーするためには、鉱物の供給量を2020年の400キロトンから2040年には11,800キロトンに増やす必要がある。この増加は、サプライチェーン(生産の60%が中国に集中しているため)や、採掘作業の大幅な増加による気候や環境への大きな影響など、多くの重要な課題を生み出す。
スマートグリッドでは、BEVがいつでも電力を供給できるようになっている。
ピーク負荷時(電力の販売価格が非常に高くなる時間帯。また、オフピーク時に安価な料金で充電することで、夜間の余剰電力を吸収することができます。車両は分散型の蓄電システムとして、電力のバッファリングを行います。)
停電時のバックアップ電源として。
バッテリー電気自動車の安全性については、国際規格であるISO 6469で大きく取り扱われています。この規格は3つの部分に分かれている。
オンボードの電気エネルギー貯蔵、すなわちバッテリー
電気的危険に対する人の保護。
消防士やレスキュー隊員は、電気自動車やハイブリッド電気自動車の事故で発生する高電圧や化学物質に対処するための特別な訓練を受けている。BEVの事故では、バッテリーの急速な放電による火災や煙など、通常とは異なる問題が発生する可能性があるが、多くの専門家は、BEVのバッテリーは市販車でも追突事故でも安全であり、後部にガソリンタンクを搭載したガソリン推進車よりも安全であると考えている。
通常、バッテリーの性能試験には以下の項目が含まれる。
充電状態 (State Of Charge, SOC)
健全性 (State of Health, SOH)
性能試験では、自動車メーカー(OEM)の要求仕様に基づいて、バッテリー電気自動車(BEV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)のドライブトレインの走行サイクルをシミュレートする。これらの走行サイクルでは、車内の熱条件をシミュレートしてバッテリーの冷却を制御することができる。
また、人工気候室は、試験中の環境条件を制御し、自動車の全温度範囲と気候条件のシミュレーションを可能にするJuly 2014。
特許は、電池技術の開発や普及を抑制するために利用されることがある。例えば、ニッケル水素電池を自動車に搭載するための特許は、石油会社シェブロンの別会社が保有しており、シェブロンはニッケル水素技術の販売やライセンスに対して拒否権を持っていた。
2019年12月の時点で、電池の改良のために世界中で数十億ユーロの研究投資が予定されている。
欧州では電気自動車用バッテリーの開発・生産に多額の投資が計画されているが、インドネシアでも2023年に電気自動車用バッテリーの生産を目指し、中国のバッテリー企業GEMやContemporary Amperex Technology Ltdを招いて投資を行っている。
全固体電池は有望な次世代二次電池として世界中で研究開発が行われている。特徴は無機系の個体電解質が使われており、この個体電解質はリチウムイオンのみを通す理想的なシングルイオン導電体の役割を果す。また不燃性の無機系固体電解質を用いる為、耐熱性が高く電極材料に高性能な金属リチウムや硫化物を使うことが可能となり、高容量・高出力・広い作動温度範囲・高速充電・長寿命・低コスト化が全て実現できる。近年全固体電池の課題であった固体電解質のイオン伝導性の改善が相次いで報告されており、各企業が生産体制構築に向け巨額の投資を行っている。また一部のスタートアップ企業では試験的な量産ラインが稼働している。
電気二重層コンデンサ("ウルトラ・キャパシタ")は、AFSトリニティのコンセプト試作車のような一部の電気自動車に使用されており、バッテリーを安全な抵抗加熱限界内に保ち、バッテリーの寿命を延ばすために、高い比電力で急速に利用可能なエネルギーを蓄える。
市販されているコンデンサは比エネルギーが低いため、コンデンサを排他的に使用している市販の電気自動車は存在しない。
2020年1月、テスラのCEOであるイーロン・マスクは、リチウムイオン電池技術の進歩により、電気自動車にウルトラ…キャパシタは不要になったと述べている。