電気自動車用蓄電池
リチウムイオン二次電池(および機械的に類似したリチウムイオンポリマー二次電池)は、当初、ノートパソコンや家電製品用に開発・実用化された。高いエネルギー密度と長いサイクル寿命を持つことから、現在では電気自動車に使用される代表的な電池となっている。最初に実用化されたリチウムイオン化学は、カソードにコバルト酸リチウム、アノードにグラファイトを用いたもので、1979年にN. Godshallが、その後すぐにジョン・グッドイナフと吉野彰が実証した。従来のリチウムイオン二次電池の欠点は、温度に敏感であること、低温での発電性能、経年による性能低下などが挙げられる。また、有機電解液の揮発性、酸化度の高い金属酸化物の存在、負極のSEI(固体電解質界面)層の熱的不安定性などにより、従来のリチウムイオン電池は、パンクや充電が不適切だと火災の危険性がある。また、初期のリチウムイオン電池は、極寒の地では充電ができないため、気候によってはヒーターで暖める必要がある。この技術の成熟度は中程度である。テスラ・ロードスター(2008年)をはじめとするテスラ社の自動車には、従来のリチウムイオン「ノートパソコンバッテリー」のセルを改良したものが使われていた。
最近のEVでは、比エネルギーや比出力を犠牲にして、難燃性、環境性、急速充電(最短数分)、長寿命化を実現したリチウムイオン化学の新しいバリエーションが採用されている。
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、1 kWh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。