トヨタが資金提供する研究プロジェクトでは、バッテリーの寿命を最大70%延ばす充電方法が発見されました。
トヨタ・リサーチ・インスティテュートが資金提供
電気自動車の普及は直線的なものでは無いようです。不安定な販売台数、航続距離への不安、充電器の不足、そして電気自動車が政治的にホットな問題となった米国大統領選挙などにより、一部の人々の購入意欲が削がれているかもしれません。しかし、消費者側の動きと裏側の努力、特にバッテリーの研究開発に関しては、両者の間には大きな違いがあります。
先週、テスラが資金提供している研究所が、リン酸鉄リチウム(LFP)バッテリーを高い充電状態で常に使用すると、バッテリーの寿命と劣化に悪影響を及ぼすことを発見したという研究を取り上げました。これは、LFP充電の慣行に関するこれまでの考え方と矛盾するものです。
今週、トヨタ・リサーチ・インスティテュートが「加速材料設計・発見プログラム」の下で資金提供している別の研究が、EVバッテリーについてさらに詳しく明らかにしました。
バッテリーの初期充電方法
科学論文誌『ジュール』に掲載されたこの研究では、バッテリーの寿命を延ばし、劣化を最小限に抑える新しい方法が紹介されています。
SLAC-スタンフォードバッテリーセンター(旧スタンフォード線形加速器センター)の研究者は、リチウムイオンバッテリーを初めて充電する際、通常よりも高速で充電すると、バッテリーの寿命が平均で50%、最大で70%延びると述べています。
この研究では、以下のように指摘しています。
「形成はバッテリー製造における重要なステップです。このプロセスでは、リチウムが消費されて固体電解質界面(SEI)が形成され、これがバッテリー寿命を決定します。驚くべきことに、最初の充電サイクルで高形成充電電流を使用すると、バッテリーのサイクル寿命が平均50%延びるのです。」
これらはすべて、マニアックで訳の分からない話のように聞こえるかもしれません。しかし、これを簡単に説明すると、次のようになります。
EVを初めてプラグインしてバッテリーを充電する前に、バッテリーパックは「形成(formation)」と呼ばれる製造工程の重要なステップを経ています。これは通常、製造工程の最後に実施され、バッテリーパックの初期の段階で、慎重にコントロールされた充放電サイクルが行われます。
最初の充電サイクルにより、バッテリーパックが安定し、セル内の材料が活性化されます。このプロセスは、バッテリーの性能、寿命、全体的な品質に影響を与えます。これは、ステージで演奏する前に楽器を入念にチューニングするようなものです。チューニングとキャリブレーションは、結果に影響を与えるため、非常に重要です。
研究の中で、SLAC-スタンフォード、トヨタ・リサーチ・インスティテュート、マサチューセッツ工科大学、ワシントン大学のバッテリー科学者たちは、62のフォーメーションプロトコル（形成過程）で186回の充電・放電サイクルを実行しました。バッテリーパックに初めて高電流を流した際、セル内のリチウム含有量が実際に減少しました。その量は、従来の初回充電方法では9%であったのに対し、30%にも達しました。
しかし、「この最初の充放電サイクルにおけるリチウムの損失は無駄ではありません」と、SLAC-スタンフォードはブログ記事で述べています。「失われたリチウムは、最初の充電中に負極の表面に形成されるSEIの一部となります。」この層は基本的に負極を保護し、時間の経過とともにリチウムの損失が加速するのを防ぎます。これがバッテリーパックの寿命全体にプラスの効果をもたらすということです。
今回の報告書によると、通常、メーカーはバッテリーに低電流で最初の充電を行うため、これはその逆であると述べています。このプロセスは時間がかかり、バッテリー製造における主なボトルネックのひとつです。適切な「形成」が行われないと、バッテリーは意図した通りに機能しないため、これは製造上不可欠な要素です。しかし、どうやら時間を節約し、おそらくバッテリーの寿命を延ばす方法があるようです。
この新しい技術では、初期の高電流によるリチウム損失が発生すると、「両方の電極に追加のヘッドスペース」が生まれます。これにより、最終的に「バッテリーの性能と寿命が改善」されるとされています。
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