テスラのバッテリーデーにバッテリーはどこにあったのでしょうか?

火曜日の午後、イーロン・マスクCEOは、カリフォルニア州フリーモントにあるテスラ工場の駐車場に仮設されたステージで、テスラ車に座る数百人の投資家たちを迎えた。新型コロナウイルスの影響で数ヶ月にわたり延期されていたイベントは、同社が大々的に宣伝していたバッテリーデーのイベントにふさわしい舞台に思えた。当日まで、この歯に衣着せぬ発言で知られるCEOが何を用意しているかについての詳細はほとんど明かされていなかったが、マスクCEOは「持続可能なエネルギーの加速における大きな変化」をもたらす「非常にクレイジーな」何かを世界に披露すると約束していた。

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これは、直径46ミリメートル、長さ80ミリメートルにちなんで「4680」と呼ばれる大型のリチウムイオンバッテリーで、テスラ社内で製造されていることが判明しました。確かに、テスラの新しいバッテリーはいくつかの重要な領域で大幅な性能向上を実現しているように見えますが、テスラが実際にこれらの性能向上を実現したのか、それともこれが最終版バッテリーの想定性能なのかは不明です。

マスク氏も、同じく壇上に立ったテスラのパワートレイン・エンジニアリング担当上級副社長、ドリュー・バグリノ氏も、新型4680セルのテストにおける実際の性能について具体的な数値は示さず、既存のテスラ製バッテリーと比較した相対的な改善率のみを示した。彼らは、テスラ車の航続距離と、パワーウォールなどのエネルギー製品のエネルギー密度を最大54%向上させると「謳っている」。（バッテリーのエネルギー密度とは、重量または体積を基準とした、そのバッテリーの作業能力を表す値である。）

バグリノ氏とマスク氏は、テスラの既存セルと比較してキロワット時あたりのコストが56%削減されたと主張したが、具体的な金額は明らかにしなかった。バッテリー専門家は、電気自動車をガソリン車と価格競争力のあるものにするには1キロワット時あたり100ドルが必要だと述べているが、テスラは既存バッテリーのキロワット時あたりのコストを公表していないため、この目標を達成したかどうかは不明である。アナリストは、テスラが昨年キロワット時あたり約150ドルを達成したと推定しており、これは同社の新型バッテリーがその壁を突破した可能性を示唆している。

バグリーノ氏によると、同社はすでに通りの向こうにある新しい生産施設で何万個ものバッテリーを生産しているが、イベントでは実際のセルは1つもお披露目されなかった。「これは単なるコンセプトやレンダリングではないことを強調したい。すぐ近くにあるパイロット生産施設でこれらのセルの生産を増強し始めている」とバグリーノ氏は述べた。マスク氏とバグリーノ氏はともに、テスラのエンジニアたちがまだ製造工程を改良している最中であるため、現在ラインから出荷されているセルがこの基準を満たしていない可能性があることを認めた。「まだ問題点を解決しているところです」とバグリーノ氏は述べた。「エネルギー密度とサイクル寿命を実現するには、すべての原子に役割があり、非常に要求が厳しいです。私たちはそこに到達できると確信していますが、その道のりには多くの作業が必要になるでしょう。」

イベントで公開されたデジタルモックアップに基づくと、新しい4680セルは、現在テスラで使用されているリチウムイオンセルとは大きく異なります。まず、大きいです。円筒形のセルの直径は、現在マスクの電気帝国を動かしているのは最大のバッテリーの2倍で、14％長くなっています。合計すると、新しいモデルのテスラで使用されているパナソニックの2170セルの約6倍の体積になります。このサイズの利点は、バッテリーパックで一定量の電力を供給するために必要なセルの数を減らしながら容量を増やすことです。バグリノ氏によると、フォームファクタが大きくなっただけで、エネルギーは5倍、出力は6倍、これらのバッテリーを搭載した車の走行距離は16％向上するのに十分な大きさです。バグリノ氏は詳細を述べませんでしたが、おそらくこれはテスラが現在使用しているバッテリーと比較した値でしょう。

「大型化によって、包装材などの『不活性』材料がすべて削減されます。そのため、パックレベルのエネルギー密度が向上し、コストも下がります」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校のエネルギー貯蔵・変換研究所を率いる材料科学者のシャーリー・メン氏は語る。これはまさに、テスラが計画しているサイバートラックや電気セミトレーラーといった大型車両に必要な、強力な電源装置だ。しかし、テスラのバッテリーにおける真のイノベーションは、目に見えない部分にある。

すべてのEVバッテリーでは、薄い銅箔が陽極の集電体として、アルミ箔が陰極の集電体として機能します。これらの集電体にはそれぞれタブが接合され、バッテリーと外部との接続を担います。しかし、これらのタブはセルの性能を低下させ、製造を困難にしています。メーカーはタブを箔集電体に接続するために特殊な溶接技術を用いる必要があり、時間と材料の無駄が生じます。さらに悪いことに、タブはバッテリーの効率を低下させます。電流は各タブに到達するために電極の全長を流れなければならないからです。テスラの新型バッテリーにおける大きなイノベーションの一つは、タブレスであることです。

「タブをなくすことで電極のコーティング面積が広がり、設計の他の部分を変えることなくセルの容量を増やすことができます」と、ミシガン大学バッテリーラボのテクニカルディレクター、グレッグ・レス氏は語る。「新しいアイデアではありませんが、このようなものを信頼性と再現性を持って動作させるには、多くの技術的課題があります。」

テスラのバッテリー開発における画期的な進歩の鍵となったのは、バグリノ氏とマスク氏が着用していた黒いグラフィックTシャツに描かれた一枚の画像だった。ランダムな白い線の集まりのように見えるこの画像は、マスク氏によると、テスラのバッテリー構造を「非常に難解に」表現したものだという。バグリノ氏によると、テスラは既存の箔製集電装置にレーザーパターンを施し、電極材料との接点を数十箇所に増やしたという。その結果生まれた集電装置は、バグリノ氏が「瓦礫の螺旋状」と表現した通り、まるで丸まった銅メッキのアルマジロのようだ。

「電子が移動しなければならない距離ははるかに短いのです」とマスク氏は述べた。「つまり、タブ付きの大型セルでは、タブ付きの小型セルよりも電子の移動距離が短くなるのです。つまり、セルは大きくても、実際にはパワーウェイトレシオ（重量出力比）は優れているのです。」

テスラの研究者たちは、性能向上のため、電極の化学的性質も大幅に改良しました。テスラは現在、シリコンを多く含むアノードを製造している数社のうちの1社であり、これは現在リチウムイオン電池で一般的に使用されているグラファイトアノードに代わるものです。リチウムイオン電池の充電時には、リチウムイオンがアノードに流れ込み、電子を移動させて電荷を発生させます。グラファイトと比較して、シリコンははるかに多くのイオンを吸収できます。

「シリコンはグラファイトの約10倍のリチウム原子を貯蔵できるため、シリコン含有バッテリーはエネルギー密度が20～40%高くなります」と、シリコングラフェンバッテリーのアノードを開発したNanoGraf社のCEO、フランシス・ワン氏は述べている。しかし、シリコンはバッテリーを風船のように膨らませる原因にもなる。時間の経過とともに、部品の摩耗や損傷により性能が急激に低下する。アノードにシリコンを安全に組み込むには、通常、膨張を抑えるようにカソード部品をナノエンジニアリングする必要がある。例えばNanograf社は、シリコンベースのアノードをグラフェンで包んでいる。グラフェンはアノードが膨張した際に柔軟な毛布のように機能し、腐食から保護する。

テスラは長年、アノードに少量の酸化シリコンを使用してきました。このシリコン混合物は、膨張による損傷を軽減するために事前に膨らませた状態で提供されますが、その分、性能向上は限定的です。より大きな性能向上を得るには通常、シリコン粒子をナノエンジニアリングし、リチウムイオンスポンジとしての利点を維持しながら破壊のリスクを低減する必要があります。しかし、バグリノ氏と彼のチームは、よりシンプルな方法を選択しました。彼らのシリコンアノードはナノエンジニアリングされておらず、弾性イオンで安定化された生のシリコンです。バグリノ氏によると、これによりテスラ車の航続距離は20%向上します。

「最初のシリコンアノード企業が設立されたのは2006年というかなり昔のことです。ロードスターの時代から、人々はすでにシリコンアノードについて考えていました」と、テスラの7人目の従業員だったジーン・ベルディチェフスキー氏は語る。彼はテスラを退職し、シリコン主体のアノードを開発するSila Nanoを設立した。「そこに到達するまでには誰もが考えていたよりも長い時間がかかりましたが、当時から、シリコンアノードこそが最大の利益を得られる分野であることは明らかでした。」

テスラは正極の化学組成の改良にも取り組んでいる。テスラのバッテリーも含め、現在電気自動車に搭載されているほとんどのリチウムイオンバッテリーは、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）を原料とした正極を使用している。しかし、マスク氏をはじめとするメーカーは、コバルトを使用しない正極にNMCを廃止したい意向を示している。コバルトは電極材料として最も高価な材料の一つであり、コンゴ民主共和国における非倫理的な採掘慣行にも関連している。そこで、より安価で軽量、そして調達方法によっては地球にも優しいニッケルを多く含む正極を使用するという構想が浮上している。

コバルトフリーのカソードは以前から存在していましたが、通常、バッテリー寿命の短縮やエネルギー密度の低下など、性能面で大きなトレードオフを伴います。「ニッケル含有量の増加は、当社だけでなく、バッテリー業界全体にとっての目標です」とバグリーノ氏は述べました。「しかし、そもそもコバルトが使用される理由の一つは、非常に安定しているからです。」バグリーノ氏は、テスラが「革新的なコーティング」を用いることで、コバルトを全く含まないニッケルリッチなカソードの開発に取り組んでいることを示唆しましたが、その目標達成にどれほど近づいているか、また、そのコーティングがどのようなものかは明らかにしませんでした。

バグリーノ氏はまた、用途に応じて異なるカソードオプションを検討していると述べた。例えば、一部のバッテリーでは、航続距離の短い車両には鉄カソード、中距離車両にはニッケルマンガンカソード、そして電気セミトレーラーのような長距離用途にはニッケル含有量の多いカソードを使用する。マスク氏は、その理由としてサプライチェーンの不確実性を示唆した。「ニッケルの総供給量に制約されないようにする必要があります」とマスク氏は述べた。「世界最大の鉱山会社のCEOと話し、『ニッケルをもっと生産してください』とお願いしました。ですから、彼らはニッケルの生産量を増やすでしょう。しかし、バッテリー製造には3段階のアプローチが必要だと考えています」

テスラがバッテリー生産に参入したことも注目に値する。同社は創業以来、自社の自動車やパワーウォールの心臓部となるバッテリーを、パナソニックやLGといった他社から調達してきた。火曜日のイベントで、マスク氏はテスラの伝説的なロードランナー・プロジェクトの存在を認めた。このプロジェクトはEVブログ「Electrek」で既に報じられている通り、この数ヶ月間、フリーモント工場にパイロット生産施設を建設してきた。マスク氏は、テスラがパナソニックをはじめとするサプライヤーからバッテリーを今後も調達していくことを認めつつも、これらの企業だけではテスラの増大する需要を満たすことはできないと述べた。

マスク氏によると、テスラのロードランナー・プロジェクト生産施設の年間生産量は、バッテリーのエネルギー容量で換算すると約10ギガワット時と予測されている。しかし、ベルディチェフスキー氏によると、最大の問題はテスラがどれだけ早くそのレベルまで生産を拡大できるかだ。「高性能なウィジェットを見せることはできますが、その製造規模を実現するのは本当に大変です」と彼は言う。

マスク氏自身も、いつものように「機械を作る機械を作る」ことに伴う困難を認め、それを実現するためにテスラが大量のバッテリーロボットを開発しなければならないことを示唆した。彼は、テスラの新しいバッテリー工場がフル稼働でセルを生産するまでには「約1年」かかると予想しているが、それでも業界の基準からすれば驚くほど速いターンアラウンドと言えるだろう。

マスク氏は、大胆なスケジュールで大きな約束をしながら、それをあっさりと破ってしまうことで知られている。テスラのイベントで彼が大々的に宣伝したバッテリーは期待に満ちていたが、実際にセルを披露したり性能指標を公開したりしていないため、まだ単なる約束に過ぎないように感じられた。今、彼はそれを実現しなければならない。

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