リチウムイオンバッテリーは、最先端の電気自動車に採用されている蓄電技術であり、世界の電池生産量は大きく伸びています。しかし、どんな新しい技術でもそうであるように、図面の状態から電気自動車に実用化されるまでの道のりには困難がつきまとうのです。
テスラのイーロン・マスクCEOは、今年、バッテリーの自社生産という並々ならぬ目標を掲げました。2020年末、マスクCEOはテスラがバッテリーを自社生産することで、EVの最も高価な部品のコストを半減させることを目指すと発表しました。テスラの4680リチウムイオン電池は、直径46ミリ、長さ80ミリで、現在の小型の2170セルと比べて約5倍のエネルギーを保持します。テスラは、同じエネルギーと走行距離を得るために、より少ない数の新しいセルを使用することができ、コストを削減することができるということです。
しかし、テスラは、「乾式電極コーティング」と呼ばれる新しい製造技術を使用する計画により、電池工場の増強に長いプロセスを必要としています。
リチウムイオンバッテリー（以下：LIB）は、最先端の電気自動車に採用されている蓄電技術で、世界のLIB生産量は大きく伸びています。この電池技術では、内燃機関（ICE）車に対抗するため、LIBのエネルギー容量の向上が優先されています。
乾式電極は、将来の電池生産に対応するため、コスト削減と毒性排除を実現する次世代電極の一つです。
ある研究によると、乾式電極の混合とコーティングは、大規模なLIB生産にとって革命的であることが示されています。乾式電極処理における溶媒の省略は、エネルギー需要を大幅に削減し、厚くて機械的に安定した電極コーティングを可能にします。乾式コーティングは、スラリーの調製と混合工程を減らし、乾燥時間を短縮し、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）、溶剤回収、リサイクルシステムからの有害な揮発性ガスを排除することができます。
湿式処理に比べ、コスト効率が良く、環境にも優しく、さらに、乾式電極プロセスは、ユニークで高密度、高負荷の電極微細構造を可能にし、エネルギーと電力密度を向上させる可能性があります。
バッテリー大量生産の難しさ
シャーリー・メン氏はロイターに対し、「イーロン・マスクCEOはバッテリー製造の方法を変えようとしています。スピーディーに大量に製造することは、本当に、本当に難しいのです。」
メン氏はシカゴ大学の教授で、以前はテスラが買収したバッテリー技術会社マックスウェル社に勤務していました。
このようなバッテリーを内製するための工場設備は、今まさに「作っている」とマスクCEOは言っています。
EVの電池は、グラファイトを含む陽極と陰極の間でリチウムイオンが流れることで充放電される仕組みです。
正極はニッケルを含み、高いエネルギー密度を実現し、自動車がより遠くまで走ることを可能にします。ニッケルなどの電池材料の価格は、ロシアとウクライナの紛争に起因する供給不安で今週記録的な高値となり、マスク氏はすでに1月に電池の供給制約を予測していたため、自社生産の実現が今後の成長のカギとなります。
エネルギー密度の追求により、電気自動車用バッテリーは、初期のリン酸鉄リチウム正極（LFP）の使用から、ニッケルを多く含む三元系酸化物へと移行していますが、ニッケルは電気自動車用バッテリーの製造に使用されているため、ロシアのニッケルに対する制裁により、電気自動車の製造の障害となります。ロシアは2021年に20万トン以上のニッケルを生産し、世界第3位の生産国となっています。
乾式電極技術は、電池セル製造工程におけるエネルギー消費を削減し、コストを下げる方法を提供するだけでなく、このイノベーションにより、近い将来、現在のリチウムイオンバッテリーの性能を増強する機会を得ることができるかもしれません。乾式電極の製造は、従来の電池製造の複雑なステップである化学スラリーを省くことができるからです。
うまくいけば、より安く、より効率的になりますが、マスクCEOはそれが困難であることを率直に認めています。
「非常に難しいのは、その後その生産規模を拡大し、セルで極めて高い信頼性と安全性を達成することだ。」と、彼は2020年11月の欧州で開催されたバッテリー会議で語っている。
パナソニックとの協業
日本のメディアであるNHKは今月初め、パナソニックがテスラにLIBを供給するために米国工場の建設を計画しており、予想される電気自動車の需要に応えるために生産を拡大しようとしていると報じました。オクラホマ州とカンザス州に建設予定のパナソニックの工場は、テスラがテキサス州に建設中の新工場で自社製電池の生産量を増やす計画を補強することになります。
パナソニックは、2024年3月までにテスラ向けに直径46mm、高さ80mmの新型リチウムイオンバッテリーの量産を開始する予定で、西日本の和歌山工場にある2つの新しい生産ラインを使用します。パナソニックのエネルギー部門CEOである忠信和夫氏によると、パナソニックの市場での優位性は、「電池の性能を上げても職人技で安全性を維持できること」にあるということです。
そして、次世代セルの開発を主導した田辺信は、テスラとの関係を重んじ、テスラのバッテリーラインでの地位を維持するために努力することを認めています。「我々は負けたくない 」と、パナソニックの幹部は言っています。
パナソニックは、ネバダ州のテスラ・ギガファクトリーでバッテリーセルを製造することに合意したとき、テスラと協力した最初のバッテリーメーカーでした。その関係は長年にわたって浮き沈みがあり、テスラは他の電池メーカーとも提携を結んできました。
テスラは生産を拡大し、サプライチェーンを多様化し、中国のリン酸鉄リチウム（LFP）パワーパックのメーカーである現代アンペレックス技術有限公司（Contemporary Amperex Technology Co.：CATL）などの中国のLFP（リン酸鉄リチウム）パワーパックメーカーを含みます。
2021年、テスラが全世界の「エントリーグレード」車にLFPバッテリーの使用を開始する予定であると報告したにもかかわらず、忠信氏はパナソニックがエントリーグレードのテスラ用にLFP電池を製造するつもりはないと発言しています。
バッテリー製造のジレンマ
2020年、マスクCEOはテスラが2022年に100ギガワット時の4680バッテリーを生産する能力を持つと予測しました。これは約130万台の電気自動車を動かすのに十分な量で、テキサスとドイツの工場の生産量を賄うには十分すぎるほどです。さらに最近、テスラは3月末までに、より大きなバッテリーセルを搭載したモデルYの納車を開始することを発表しました。
また、テスラは1月に100万個目の4680セルを生産しました。
テスラは今年、1年間で約140万台の車両を販売・納入する見込みです。業界研究機関のベンチマーク・ミネラル・インテリジェンスは、ロイターに提供した未発表の予測によると、同社は約3万台分のモデルY用のバッテリーを自社生産し、2024年には48万4000台まで拡大すると予想しています。
テスラが今年、自社の新型電池を量産するための予想目標を達成する可能性はどの程度あるのでしょうか？新しい工場を開設し、新しいバッテリー製造の方法を開発するには、それなりの障害があることは確かです。
テスラが自社でバッテリーを生産する必要性は、より低コストでより長い距離を走るEVを作るために必要な規模を提供するために不可欠なのです。
上級副社長のドリュー・バグリーノは1月、テスラが米国カリフォルニア州フリーモントの試験バッテリー工場で「ランプカーブを有意義に進めている」一方、テキサス州に建設予定の工場にバッテリー設備を導入していると述べています。
バグリーノ氏は、テスラの「焦点は、歩留まり品質とコストを推進し、今年から来年にかけての増産に対応できるようにすることだ 」と述べています。
テスラの野心の表れとして、自社で生産するバッテリーは、既存のバッテリーメーカーであるパナソニックやLGに先駆けて4680を市場に投入すると予想されています。
もちろん、多くの人が、液体や半液体の電解質を使った電池よりも優れていると言う固体電池の可能性をめぐって、たくさんの情報が飛び交っています。熱暴走と呼ばれる発火の危険性が低く、エネルギー密度が高く、急速充電・急速放電が可能で、低温での性能も高く、耐久性も高いのです。しかし、固体電解質の導電性が低いことと、界面が不安定であることが、実用化に向けた課題となっています。
界面で発生する不安定性を克服することは、研究者にとって最も困難な課題です。このような不安定性は、バッテリーの製造時や電気化学的な動作時に発生する可能性があるからです。MITで行われた研究開発では、固体電池のセラミック正極とセラミック電解質を良好に接触させるためには、焼結プロセスにおけるガス環境を制御することが重要であることが示されました。
今後の技術開発に期待です。
この記事はこのサイトを引用・翻訳・抜粋・編集して作成しています。
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