車のバッテリーを5分で充電？それが計画だ

昨年末、フォーミュラEの関係者は、2022年に高速道路でデビューする第3世代の電気自動車レースカーの仕様を発表しました。新しいフォーミュラEカーは、テスラ・モデルSのバッテリーを約10分でフル充電できる超急速充電ステーションを初めて搭載します。レーサーは短時間のピットストップでのみこの充電ステーションを利用しますが、レーストラックの先にある未来、つまりガソリンタンクを満タンにするのと同じ時間で充電できるEVバッテリーの未来を垣間見ることができるでしょう。

確かに、EV用の急速充電器は既に存在します。テスラとポルシェは最近、250キロワットの公共充電ステーションを開設しました。これらのステーションでは、EVのバッテリーパックを約40分でほぼ満充電できます。これは、車をガレージに一晩置いて充電するよりはましですが、それでもガソリンを大量に消費する車のタンクを満タンにするよりははるかに時間がかかります。しかも、このような急速充電器は、ごく一部の新型高級EVにしか設置されていません。道路を電動化するには、より高速に充電できる手頃な価格のEV用バッテリーが必要です。

「米国人口の50%以上が、充電設備のないアパート、マンション、あるいは戸建て住宅に住んでいます」と、国立再生可能エネルギー研究所の電気化学エネルギー貯蔵グループを率いるマシュー・キーザー氏は述べています。「EVの普及を促進するには、この層に急速充電手段を提供する必要があります。」

リチウムイオン電池の充電速度を向上させるには、トレードオフが伴います。充電中、リチウムイオンはセルの正極から負極へと流れます。負極は通常、炭素の一種であるグラファイトでできています。負極は、充電中にイオンを集めて蓄えるバケツのような役割を果たします。厚い負極（バケツが大きい）は、より多くのエネルギーをリチウムイオンの形で蓄えることができ、電気自動車は1回の充電でより長い距離を走行できるようになります。

しかし、陽極が厚くなると急速充電が難しくなります。イオンは陽極内の曲がりくねった経路に沿ってより長い距離を移動しなければならないからです。充電中にイオンが陽極に十分な速さで浸透できない場合、分子の渋滞が発生し、リチウムが表面に固まってしまいます。この現象はリチウムメッキと呼ばれ、バッテリーの性能を低下させる可能性があります。また、十分な量のイオンが陽極表面に固まると、スピンドル（紡錘状結晶）を形成し、バッテリーの陽極と電解質の間のバリアを破壊する可能性があります。これらのいわゆるリチウム「デンドライト」は、セルの短絡を引き起こす可能性があります。

インペリアル・カレッジ・ロンドンの化学エンジニアで、急速充電リチウムイオン電池に関するレビュー論文を最近共同執筆したアンナ・トマシェフスカ氏は、リチウムプレーティングの解決策の一つとして、陽極にシリコンを添加することを挙げています。シリコンは安価で豊富に存在し、陽極の結晶構造を変化させることでリチウムプレーティングの発生を抑制できます。「シリコンは電池のエネルギー容量を向上させることもできるため、メーカーの間で特に人気があります」とトマシェフスカ氏は付け加えます。

実際、テスラを含む多くの企業は、リチウムイオン電池からより多くのエネルギーを引き出すために、グラファイトアノードにシリコンまたはシリコン酸化物を添加してきました。しかし、南カリフォルニアに拠点を置くエネルギー貯蔵企業であるエネベートは、グラファイトを一切使用しないことを目指しています。同社は過去15年間、純粋なシリコンアノードを用いた超高速充電（XFC）リチウムイオン電池の開発に取り組んできました。

今年初め、同社の研究者たちは、最新世代のバッテリーはエネルギー密度を犠牲にすることなく、わずか5分で75%まで充電できると発表しました。「安価な純シリコンアプローチを採用しているため、エネルギー密度を犠牲にすることなく急速充電を実現できます」と、エネベートの創業者兼最高技術責任者であるベン・パーク氏は述べています。

バッテリーメーカーは、実験用セルで画期的な性能向上を発表するものの、実際には市場に投入されることはまずありません。しかし、エネベートの技術が他社と一線を画すのは、同社のアノード材料が既存のバッテリー製造プロセスに容易に統合できる点だと、同社のエグゼクティブバイスプレジデント、ジャービス・トウ氏は言います。トウ氏によると、エネベートはすでにリチウムイオン電池メーカーと協議を進めており、同社のアノードを市販バッテリーに統合する取り組みを開始しています。急速充電バッテリーの最初の用途は電動工具ですが、エネベートは自動車メーカーとも協力し、早ければ2024年にはEVに搭載できる見込みです。

他の企業も、急速充電用アノードの化学特性を市場に投入しようと競い合っています。イスラエルのエネルギー貯蔵企業StoreDotは、10分以内で充電できるEV用バッテリーを開発中です。また先月、英国のバッテリースタートアップ企業Echionの研究者たちは、リチウムイオンを効率的に輸送するためにナノエンジニアリングされた混合ニオブ酸化物製のアノードを用いて、わずか6分で充電できるリチウムイオンバッテリーを開発したと発表しました。「私たちは、この材料を特定の結晶構造を持つように設計しました」と、EchionのCEO兼創設者であるジャン・ドゥ・ラ・ヴェルピリエール氏は述べています。「これは、リチウムイオンがアノードに非常に速く移動できるようにする、分子レベルの小さなトンネルのようなものだと思ってください。」

これらの特注XFCバッテリーはまだ研究室から現実世界には出ていません。リチウムイオンバッテリーの大量生産は困難であり、メーカーには組立ラインに新しい材料を追加するよう説得する必要があります。だからこそ、EchionやEnevateのような企業は、既存のバッテリー製造プロセスに「そのまま使える」アノード材料の開発を優先しています。両社とも、市販のセルに自社のアノード材料を組み込むために、バッテリーメーカーと協議中だと述べています。「私たちは車輪の再発明をしようとしているわけではありません」とドゥ・ラ・ヴェルピリエール氏は付け加えます。「研究室での研究成果を製品化するのは困難ですが、黒魔術ではありません。」

しかし、安価なXFCバッテリーの開発には、新たなアノード化学は全く必要ないかもしれません。NRELでは、キーザー氏と彼の同僚たちは、EVで既に広く使用されているグラファイトアノードの最適化に注力しています。キーザー氏によると、チームはコンピューターモデルを用いて、リチウムイオンがアノード内を移動する経路を最適化し、グラファイト粒子のサイズと形状を操作することで、この経路に影響を与えているとのこと。

ナノエンジニアリングによるアノード構造の大規模実装は困難ですが、キーザー氏のチームは、バッテリーアノードの構造や化学組成を一切変更しないXFCバッテリーのソリューションも模索しています。例えば、充電ステーションにインテリジェントなアルゴリズムを実装することで、充電中にバッテリーが過剰なエネルギーに圧倒され、リチウムプレーティングが発生するのを防ぐことができます。テスラはすでにこれをある程度実現しています。テスラの充電ステーションと車両は通信し、充電ステーションは充電する車両の年式とメーカーに応じて適切な電力を供給します。

XFCバッテリーは、EVの普及における最大の障害として広く挙げられる航続距離の短さと充電時間の長さという2つの問題を克服するのに役立つでしょう。しかし、路線バスや長距離トラックといった他の車両の電動化も促進する可能性があります。どちらの業界も、タイトなスケジュールを維持しながら1日中運行できる車両を必要としています。バスの場合、停車中に戦略的に配置された急速充電ステーションを利用すれば、充電することができます。長距離トラック運転手は、充電にディーゼル燃料を満タンにするのと同じ時間しかかからないのであれば、充電に余分な時間を割く必要はありません。

バス、18輪トラック、通勤車両はスピードで知られているわけではありませんが、XFCバッテリーの登場により、フォーミュラEのスピードウェイに登場しなくても、すぐに状況が変わるかもしれません。

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