環境に優しいEVバッテリーを作るには、内側から考える必要がある

スイス北部のなだらかな丘陵地帯にある、ツタに覆われた倉庫で、オリヴィエ・グルーは電池を部品ごとに分解する機械を製作した。エボラ出血熱を扱う研究室で見かけるような、大きな青い安全キャビネットのような外観で、安全に内部に手が届くよう側面に厚手の手袋が装着されている。作業は簡単。ポリマーに接着され電池の電極として機能する金属片を剥がすだけだ。ポリマーシートが滑車システム内を転がるにつれ、電極は左右に飛び、機械の底部に山を形成する。1つは陽極用、もう1つは陰極用で、それぞれ電池のマイナスとプラスの極となる。次に、これらは水に溶かされ、ふるいにかけて金属粉末となる。

グルー氏は、電気自動車を製造する小規模な家族経営の会社、Kyburz のリサイクルプログラムを率いている。同社は、スイス郵便公社が好む三輪車で最もよく知られている。また、最終的な再利用とリサイクルを念頭に置いてバッテリーを選択する数少ない EV 会社でもある。郵便配達の需要に合わなくなったバッテリーは再生され、多くの場合、個人用スクーターなど、より電力を必要としない車両で再利用されたり、ソーラーパネルで発電したエネルギーを貯蔵するために再利用される。最終的に、2 回目、場合によっては 3 回目の使用を経たバッテリーは、グルー氏の機械によって 1 個ずつ分解され、再利用できる材料となる。目標は、使用済みのバッテリーからできるだけ効率的に新しいバッテリーの原材料を生成することだ。グルー氏は、もうすぐその目標を達成できると考えている。

カイバーズは、このプロセスによってバッテリーの全材料の90%以上が回収されると見積もっている。これには、他のリサイクル方法では通常廃棄されるプラスチックケースなどの部品も含まれる。グルー氏によると、さらに優れているのはシンプルさだ。この機械は稼働に必要なエネルギーが少なく、廃棄物もほとんど出ない。「バッテリーをシンプルに作れるなら、分解もシンプルにできると考えました」と彼は言う。現在、同社が保有する比較的少量の使用済みバッテリーから抽出された材料は、検査のために研究所に送られている。カイバーズのバッテリーの寿命が長くなるにつれ、グルー氏は材料を引き取ってくれるヨーロッパのバッテリーメーカーを見つけたいと考えている。

Kyburz社のプロセスの斬新さは、EVバッテリーの最も一般的な処分方法であるシュレッディング（細断）を回避できることです。シュレッディングでは、バッテリーパックが完全に消費され、「ブラックマス」と呼ばれる粉砕されたスクラップの山に変わります。その後、この塊は燃焼または酸処理され、ニッケルやコバルトなどの貴重な鉱物が抽出されます。投資家たちは、2020年代末までに世界中で廃棄される数百万個のEVバッテリーにこれらの技術を適用することを計画しているスタートアップ企業に、数十億ドルを投じています。

ほとんどのバッテリーが細断されるのは、Kyburz の車両のバッテリーとは異なり、分解できるように設計されていないためです。その代わり、最大のエネルギーを最小のスペースに詰め込むように作られており、1 回の充電でより長い距離を走行できます。これは論理的で重要なことです。電気自動車の普及における最大のハードルの 1 つは、航続距離に対する不安です。しかし、時間が経つにつれて、その不安からバッテリーパックの設計は手に負えないほどの混乱状態になってしまいました。通常、車両のベースに沿って配置されるバッテリーパックの内部には、複雑な機械が隠されています。それは、接着剤とレーザー溶接で密封されたモジュールで満たされています。これらのモジュールには、セルのアレイと、過熱と発火を防ぐ冷却ケーブルが含まれています。これらのセルの形状と内容はさまざまですが、特にエネルギー密度の高い設計の 1 つは、アノードとカソードを互いに巻き付けて、テスラのエンジニアが愛情を込めて「ジェリーロール」と呼ぶものを作ることです。

バッテリーパックを分解するのは過酷な作業であり、感電や有毒ガスの発生といった危険を伴います。バッテリーの設計は非常に多様であるため、統一された解決策はありません。大量のバッテリーを受け取ったリサイクル業者は、中身が何なのか、どのように分解すればよいのか、確信が持てません。そのため、唯一合理的な方法は、バッテリーを細断することです。

イリノイ州にあるアルゴンヌ国立研究所の環境科学者、リンダ・ゲインズ氏は、破砕処理は複数の問題を引き起こすと指摘する。黒色塊を分解するために用いられる炎と酸は環境に優しくない。また、どちらの処理も特に利益を生むわけではない。使用済みバッテリーの輸送と処理にかかるコストを考えると、回収される金属は通常、地中から新たな材料を掘り出すことに比べれば競争力がない。そのため、リサイクル会社はバッテリー処理に料金を課している。自動車メーカー、車の所有者、あるいは廃車場など、誰かがその費用を負担しなければならない。結果として、バッテリーには貴重な材料が詰まっているにもかかわらず、廃棄物とみなされるという皮肉な事態が生まれる。

バッテリーリサイクルに取り組む研究室ネットワーク「ReCell Center」で科学研究を率いるゲインズ氏は、ほぼ10年にわたり、リサイクルが誰にとっても利益になるような設計を模索してきた。彼女が特にこだわっているのは正極だ。ほとんどの電気自動車の正極材料は、リチウム、コバルト、ニッケルからなる結晶で、これら3つは高価で採掘が困難な元素であり、バッテリー需要の増加に伴い供給不足になると予測されている。ゲインズ氏によると、この結晶構造はバッテリーが「死ぬ」場合でも損なわれないという。これは通常、電解質（通常は液体で、リチウムイオンが正極と負極の間を流れる際に通過する物質）など、バッテリーの他の部品に欠陥があることが原因となる。

バッテリーを粉砕すると、ほとんどのリサイクル処理では金属元素を含む粉末状の物質が生成されます。しかし、粉砕前に正極を取り除くことができれば、リチウムイオンを捕捉・放出できる結晶構造が維持されるため、新しいバッテリーの製造に容易に再利用できます。バッテリーメーカーは、ゲインズ氏が言うように、この「微細な分子の配列」に高い価格を支払うことになるでしょう。

バッテリーメーカーがより安価な原材料を用いた設計に移行するにつれ、純粋な正極材の価格プレミアムは上昇すると予想されています。その一つであるLFPバッテリーは、正極にリチウム、鉄、リンを含み、ニッケルやコバルトといった高価な金属を使わないバッテリーです。カイバーズは長年、自社の車両にLFPバッテリーを使用しており、テスラなどの大手メーカーもこれに追随しています。しかし、原材料が安価なため、リサイクル業者にとってLFPバッテリーの魅力は低下しています。「彼らはLFPバッテリーを引き取るのに多額の費用を要求しています」とグルー氏は言います。

使い古したバッテリーからカソードを安価に除去するには、バッテリーを根本から再設計する必要がある。ゲインズ氏は、これは以前にも行われており、特に従来の自動車のエンジン始動に使われる鉛蓄電池で顕著だと指摘する。鉛蓄電池の95%以上がリサイクルされている。その理由の一つは、メーカーが標準化された設計を採用しているため、リサイクル業者はほぼあらゆるバッテリーを自動化プロセスにかけることができるからだ。リサイクル業者は主要成分である鉛とポリウレタン（プラスチックの一種）を取り出し、水を満たした容器で分別する。やり方は簡単だ。プラスチックは浮き、鉛は沈む。

リチウムイオン電池はより複雑で、部品や材料が多く、設計も多様だ。だが、それでも「馬鹿になって、最もリサイクルが難しい電池を設計する必要はない」と、リサイクルに配慮した設計を研究しているレスター大学の電池研究者、アンディ・アボットは言う。電池メーカーが解体業者の作業を楽にする簡単な方法はある。例えば、レーザー溶接の代わりにネジを使ったり、取り外しやすい接着剤を選んだりできる。だが、こうした小さな変更は最も難しいものの 1 つになり得ると、ReCell センターを率いるジェフ・スパンゲンバーガーは説明する。小さなコストが規模に応じて積み重なれば大きなコストになるからだ。電池 1 個あたり 2 ドル余分にネジに費やして、電池の解体にかかる 1 ドルを節約するということは、リサイクル費用を負担しない限り、製造者にとって単純に割に合わないことだ。

グルー氏は最近、カイバーズ社でモジュール型バッテリーの高出力化を研究していた際に、この問題に遭遇した。彼はバッテリーをネジで密閉することを希望していたが、相談した中国メーカーのほぼすべてがレーザー溶接を採用していた。それでも、カイバーズ社のような企業には一定の強みがある。同社の車両は比較的低出力で、スイスの村々を数時間かけて巡航することを想定しており、モハーベ砂漠を縦断するようなものではない。同社は主にモジュールではなく、単体の大型セルを使用しているため、分解が容易だ。つまり、グルー氏の機械は半自動で作業できるのだ。

もちろん、テスラのバッテリーははるかに複雑です。しかし、だからといって、少なくともより予測可能で、ある程度の自動化を可能にするような設計が不可能というわけではありません、とアボット氏は説明します。彼は進歩の例として、中国の自動車メーカーBYDが乗用車向けに製造した新型LFPバッテリー「ブレード」を挙げます。LFPバッテリーには、コバルトやニッケルを充填したバッテリーよりも安価で、長寿命で、一般的に発火の可能性が低いという利点があることが知られています。しかし、数百マイル走行できるほどのエネルギーを蓄えることはできないと考えられていたため、ブレードは多くの関係者を驚かせました。

アボット氏にとって、この設計における最もエキサイティングな変更点の一つは、バッテリーパックがモジュールに分割されていないことだ。セルはパック内部に直接列状に配置されている。セルは円筒形のロール状ではなく、細長い長方形（つまり「ブレード」）になっている。BYDは、これらの長方形をバッテリーパック内に円筒形よりも高密度に詰め込むことで、パック全体の出力を向上できることを発見した。アボット氏は設計を直接確認する機会はなかったが、簡素化された設計によってバッテリーの分解が容易になると考えている。テスラを含む他の企業も、セルの設計は様々だが、モジュールを使用しないバッテリーパックの製造計画を発表している。

それでも、微視的なリサイクルの問題は依然として残っています。ほとんどのセルでは、電極を分離した後にさらに工程が続きます。アノードとカソードはそれぞれ2つの層で構成されています。結晶構造の中で電子が集まる内側の構造と、外側の集電体です。これらは通常、PVDFと呼ばれる接着剤で接合されています。これは長期にわたる強度保持に優れていますが、腐食性の工業用化学薬品に長時間浸さなければ除去できません。理想的には、バッテリーメーカーはKyburz社が使用しているような、水に溶ける接着剤に切り替えるでしょう。

一方、アボット氏のチームは、歯科医院で歯垢を吹き飛ばすのに用いられる手法に似た、微調整された音波でPVDFなどの接着剤を吹き飛ばす手法を開発した。電極シートは、パスタメーカーに生地を巻き取るように、小型の機械に送り込まれる。内部では、音波が接着剤に当たると材料が軟化し、内部に空洞が形成されてガスが充填される。接着剤の表面に達すると、音波は破裂し、接着剤を分解する。そして、材料はきれいに分離された状態で機械から出てくる。

こうした解決策は、問題の原因ではなく、症状に対処するものだ。アボット氏は、自動車メーカーや電池メーカーは、リサイクルの責任の一部を引き受ければ、設計改善にもっと意欲的になるかもしれないと説明する。これは「ループを閉じる」と呼ばれている。このアプローチは中国でより一般的であり、中国の自動車メーカーがリサイクル可能な設計で先頭に立っている理由の一つだとアボット氏は考えている。「彼らは循環性をビジネスモデルに深く根付かせています」とアボット氏は言う。「米国と欧州で実際に製造されているセルは非常に少ないのです。」カイバーズからテスラに至るまでの自動車メーカーが、現在比較的少数のバッテリーを扱っているにもかかわらず、社内でリサイクルプログラムを構築しているのはそのためだ。しかし、これを機能させるには、バッテリーを最も多く使用する場所でバッテリーも製造する必要がある。

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