重量は自動車の設計者やエンジニアにとって最大の悩みの種の一つです。バッテリーは非常に重く、高密度です。内燃機関が急速に電気自動車へと移行する中で、EVのバッテリー重量増加をどう処理するかという問題はますます重要になっています。
航続距離を延ばすEVを開発したい場合、大容量バッテリーを搭載するだけでは必ずしも解決策にはなりません。そうなると、重い車体を停止させるにはブレーキのサイズを大きくする必要があり、ブレーキが大きくなるとホイールも大きくなり、それら全ての重量によってより強固な構造が必要になります。これは自動車設計者が「重量スパイラル」と呼ぶもので、バッテリーの問題は、車両に電力を供給するためだけに、無駄な重量を持ち運ばなければならないことです。
しかし、バッテリーを車の構造に統合し、セルが車両の動力源と骨格という二重の役割を果たせるようになったらどうなるでしょうか？まさにテスラやBYD、CATLといった中国企業が取り組んでいるのがこれです。これらの企業から生み出される新しい構造設計は、EVの製造方法を変えるだけでなく、製造コストを削減しながら車両の航続距離を延ばすことも期待されています。
プラグ・ライフ・コンサルティングのバッテリー電気化学コンサルタント、ユアン・マクターク氏によると、セル・トゥ・パック、セル・トゥ・ボディ、セル・トゥ・シャシーといったバッテリー構造の技術によって、車内にバッテリーをより効率的に配置できるため、理想的なEVバッテリーの実現に大きく近づくとのことです。「究極のバッテリーパックは、100%活物質で構成されたものです。つまり、バッテリーパックのあらゆる部分がエネルギーを蓄積・放出するのです」とマクターク氏は言います。
従来、EVバッテリーはセルモジュールを用いており、それらを相互接続してパックを形成していました。BYDは、中間モジュールを不要とし、セルを直接パックに組み込む「セル・トゥ・パック」技術を開発しました。Sprint Powerの創業者兼CEOであるリッチー・フロスト氏によると、「標準的なモジュールは、あるパックにはうまく収まるかもしれませんが、別のパックには大きな「無駄な」スペースが残ります。モジュールの制約を取り除くことで、あらゆる筐体内でセル数を最大化できます。」
セル・トゥ・パック方式では、モジュールの構成要素をバッテリーパックから省くことができるため、無駄な体積を削減できます。BYDは、化学的安定性に優れ、製造コストも低いLFP（リン酸鉄リチウム）バッテリーも推進しています。ただし、LFPセルのエネルギー密度は、ヒュンダイのコナ・エレクトリック、ジャガーのI-PACE、フォルクスワーゲンのIDシリーズなどのEVに使用されているNCM（ニッケル・コバルト・マンガン）セルに比べてそれほど高くありません。しかし、セル・トゥ・パック方式を採用することで、BYDは与えられたスペースにより多くのセルを収容し、NCMバッテリーで達成可能なレベルに近づくまで密度を高めることができます。
深圳に拠点を置くBYDは、世界で最も垂直統合されたEVメーカーの一つです。つまり、バッテリー、多くの車両部品、そして車両自体を自社で製造しているということです。しかし、同社はもともとバッテリーメーカーとしてスタートしました。中国のバッテリー市場における最大のライバルは、寧徳時代新能源科技（Central Amperex Technology）です。同社は2021年に32.6%の市場シェアで世界最大のEVバッテリーメーカーとなりました。これは主に、中国市場で52%のシェアを占めるCATLの優位性によるものです。
CATLは既にドイツに工場を保有しており、インドネシアでは50億ドル規模のバッテリー工場を建設中。さらに米国でも同様の投資を計画している。リチウムとコバルトの採掘への独自の投資は、資源価格の変動による影響を同社に与えている。しかし、CATLのグローバル展開の鍵となるのは、EVのバッテリー、シャーシ、アンダーボディを一体化した「セル・トゥ・シャーシ」技術だ。これにより、車両に別途バッテリーパックを搭載する必要がなくなる。
バッテリーの容積を再配分することで、EVの床面を高くしてセルを大きな板状の構造物に収める必要がなくなり、車内空間のスペースが確保され、より広々とした空間を実現できます。従来の制約から解放され、セルがシャシー全体を構成できるようになるため、メーカーはEVにより多くのセルを搭載できるようになり、結果として航続距離を延ばすことができます。
CATLは、この設計の量産車は1回の充電で1,000キロメートル（621マイル）の走行距離を達成できると見積もっており、これは従来のバッテリー技術に比べて40パーセントの増加となる。
ボディショップ
テスラは2020年のバッテリーデーで、いくつかの重要な進歩に関する情報を発表しました。テスラの新型バッテリー「4680」が注目を集める中、CEOのイーロン・マスク氏と上級副社長のドリュー・バグリノ氏は、複数の小型部品を大型ダイキャスト部品に置き換えることで、テスラ車の製造がどのように変化していくのかを説明しました。また、2023年頃までにセル・トゥ・ボディ技術の導入を開始する予定だと発表しました。
航空機の翼に例えてみると、現在では燃料タンクを内蔵する翼ではなく、燃料タンクが翼型になっている。両氏は、バッテリーセルが車の構造に一体化すると説明した。これを実現するために、テスラは新たな接着剤を開発した。通常、バッテリーパック内の接着剤はセルとパックプレートを接着し、難燃剤として機能している。テスラのソリューションは接着剤に補強機能を追加し、バッテリー全体の耐荷重性を高める。
マクターク氏は次のように説明する。「セルをシャシーに統合することで、セルとシャシーは多目的に活用できるようになります。セルはエネルギーを貯蔵し、構造的に支える役割を担い、シャシーは構造的に支え、セルを保護する役割を担うようになります。これにより、セルケースの重量が実質的に相殺され、単なる重量ではなく、車両の構造にとって価値のある要素へと変化します。」
テスラによると、この設計とダイカスト技術を組み合わせることで、車両の部品点数を370点削減できるという。これにより、車体重量は10%削減され、バッテリーコストは1キロワット時あたり7%削減され、車両の航続距離も向上する。
テスラの4680バッテリーは、その大容量化により、同社のセル・トゥ・ボディ設計への移行に不可欠な役割を果たしているようですが、CATLの新しいQilinバッテリーは、4680と比べて容量が13%増加し、体積利用効率は72%、エネルギー密度は最大255ワット時/キログラムを誇ります。このバッテリーは、CATLの第3世代セル・トゥ・パック・ソリューションの主要部分となり、同社のセル・トゥ・シャーシ製品の基盤となる可能性が高いでしょう。
簡単な細胞
2022年後半に発売予定のLeapmotor C01セダンは、セルからシャーシまでを一体化した設計を採用しています。
写真: Leapmotorこれらの画期的なバッテリー技術はまだ数年先の話だと考えている人もいるかもしれませんが、セル・トゥ・シャシーは既に実現しています。急成長を遂げているものの、まだ比較的無名な中国のEVスタートアップ企業、Leapmotorは、セル・トゥ・シャシー技術を搭載した量産車を市場に投入した最初の企業であると主張しています。LeapのC01セダンは2022年末までに発売される予定です。Leapは、同社が無料で提供することを申し出ている独自の技術を採用したC01は、優れたハンドリング（セル・トゥ・シャシー設計による優れた重量配分がその理由である可能性）、若干の航続距離、そして衝突安全性の向上を実現しているとしています。
多くのEVはかつて内燃機関車のプラットフォームをベースに作られており、現在もそうしているものもあります。しかし、セル・トゥ・シャシー設計の採用により、これらの旧来のプラットフォームは絶望的に時代遅れになるでしょう。スプリント・パワーのフロスト氏によると、「ほとんどのメーカーがEVのみの未来へのコミットメントと、セル・トゥ・シャシーのようなより統合された設計を組み合わせることで、EVの全体的な設計と性能が大幅に向上するでしょう。」
セル・トゥ・シャシ技術はEVの次のステップであることは間違いありませんが、万能薬ではありません。固体電池やナトリウム系電池といった技術は、パズルの一部を構成するに過ぎないでしょう。そして、セル・トゥ・シャシの導入は、間違いなく業界に新たな問題をもたらすでしょう。
まず、セル・トゥ・シャシ構造では、各セルが車両の構造に不可欠な要素となるため、故障したセルの交換がはるかに困難になります。さらに、車両が廃車になった後の処理についても問題があります。現在、モジュールは様々な再利用用途に活用されていますが、マクターク氏は、セル・トゥ・パックおよびセル・トゥ・シャシ構造ではバッテリーサイズが大きくなるため、グリッドストレージ用途に限定される可能性があると考えています。
