電気の

電気自動車のバッテリーは、基本的な単 3 形または単 4 形電池に似ていますが、同じとは程遠いものです。

電池をイメージしてください。 おそらく、テレビのリモコンや煙感知器など、さまざまな小型電気機器に電力を供給するために購入するような、標準形式の AA または AAA 電池を想像しているでしょう。

ここで、電気自動車のバッテリーを想像してください。 あなたが思い浮かべたイメージは、小さな円柱ではなく、大きな長方形のように見える可能性があります。

これら 2 種類のバッテリーは大きく異なる蓄電デバイスとして認識されているかもしれませんが、さまざまな電子機器用の一般的な市販バッテリーと EV のバッテリー パックはどちらも同じ一般原理で動作します。 とはいえ、ハイブリッド車や電気自動車のバッテリーは、扱い慣れている口紅のようなセルよりも少し複雑です。

HEV、PHEV、BEV (それぞれハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、バッテリー電気自動車) のバッテリーは、さまざまな材料で作ることができ、それぞれが異なる性能特性を備えています。 。 これらの大きなバッテリーパック内に格納されている個々のセルにも、さまざまな形状やサイズがあります。

電気自動車のバッテリー パック内のセルにはそれぞれアノード (負極) とカソード (正極) があり、両方ともプラスチック状の材料で分離されています。 プラス端子とマイナス端子が接続されると (懐中電灯のスイッチを入れることを考えてください)、イオンはセル内の液体電解質を通って 2 つの電極間を移動します。 一方、これらの電極が放出する電子は、セルの外側のワイヤを通過します。

バッテリーが電力を供給している場合 (たとえば、前述の懐中電灯の電球) (放電として知られる動作)、イオンはセパレーターを通ってアノードからカソードに流れ、電子はワイヤ上をマイナス (アノード) からカソードに移動します。プラス (カソード) 端子は外部負荷に電力を供給します。 時間の経過とともに、電力を供給しているものを駆動するにつれて、セルのエネルギーが枯渇します。

しかし、セルが充電されると、電子が外部エネルギー源から別の方向 (正から負) に流れ、プロセスが逆になります。電子はカソードからアノードに戻り、セルのエネルギーが再び増加します。

前述の単三電池または単四電池について考えるとき、単一の電池セルを想像します。 しかし、EVのバッテリーはその単一セルの巨大版ではありません。 代わりに、それらは数千ではないにしても、数百の個別のセルで構成されており、通常はモジュールにグループ化されています。 完全な EV バッテリーであるバッテリー パック内には、最大数十のモジュールを搭載できます。

EV セルは、AA セルや AAA セルのような、さまざまな標準化された寸法の小さな円筒形セルです。 これは、Tesla、Rivian、Lucid、および他のいくつかの自動車メーカーが採用しているアプローチであり、これらの小さなセルを何千個も配線します。 これらの企業の利点は、小型セルの大量生産がはるかに安価であることだと主張している。 それでもテスラは、自動車のバッテリーパック内の接続数を減らすために、より大きな円筒形セルの数を減らす計画を立てている。

しかし、EV セルには他に 2 つの形式があります。1 つは角柱型 (堅い長方形) またはパウチ型 (これも長方形ですが、極度の熱の下でセル壁がある程度膨張することを可能にする柔らかいアルミニウムのケースに入っています) です。 標準化された角形またはパウチセルの寸法はほとんどなく、ゼネラルモーターズやフォードなどのほとんどの自動車メーカーは、中国の CATL、日本のパナソニック、韓国の LG 化学などのセルメーカーと提携して独自の仕様を定めています。

電気自動車のバッテリーの化学的性質、またはそのカソードに使用される材料は、セルの種類によって異なります。 現在、バッテリーの化学反応には基本的に 2 種類あり、どちらもリチウムイオンの傘下にあり、正極には他の金属とともにリチウムが使用されます。

1 つ目は、北米とヨーロッパで最も一般的で、ニッケル、マンガン、コバルト (NMC) またはニッケル、マンガン、コバルト、アルミニウム (NMCA) の混合物を使用します。

これらのバッテリーは、エネルギー密度 (重量あたりのエネルギー、または体積あたりのエネルギー) が高いだけでなく、急激な短絡または重大な衝撃が発生したときに酸化 (発火) する傾向も高くなります。 セルメーカーとバッテリーエンジニアは、酸化の可能性を制限するために、製造時と自動車の寿命にわたる使用中の両方で、セルとモジュールの監視に多くの時間を費やしています。

2 番目のタイプは、中国ではるかに広く使用されており、リン酸鉄リチウム (LFP) として知られています。 （これは、Fe が周期表上の鉄の記号であるにもかかわらず、F は実際にはフッ素であるという事実にもかかわらずです。）リン酸鉄電池はエネルギー密度がかなり低いため、同じ量のエネルギーを供給するにはより大きなバッテリーが必要です（したがって、駆動するため）。範囲)、NMC ベースのバッテリーとして使用できます。

ただし、LFP セルは短絡しても酸化する可能性が低いため、それは相殺されます。 LFP セルは希少金属や高価な金属も使用しません。 鉄とリン酸塩は両方とも今日さまざまな産業用途に使用されており、どちらも希少であるとか、資源が限られているとはまったく考えられていません。 これらの理由により、LFP セルはキロワット時あたりのコストが安くなります。

コストの削減により、テスラ (そして最近ではフォード) はベースモデルの電気自動車に LFP セルを使用し、より高価で高エネルギーの化学物質をラインナップのより高価なモデルに節約しました。

もう一方のセル電極であるアノードに関しては、現在ではそのほとんどがグラファイトでできています。

基本的な単三電池や単四電池とは異なり、EV バッテリーには状況を監視するための多くのソフトウェアが必要です。 AA または AAA セルの寿命は長くても 2 年程度だと思われるかもしれません。 しかし、自動車メーカーはEVのバッテリーコンポーネントを保証しており、多くの場合、約10年間または最長15万マイルの使用期間を保証します。

すべての EV バッテリーは時間の経過とともに充電容量をいくらか失います。 入手可能なデータが限られているため、これらの損失の詳細を掘り下げるのは困難です。 一般に、100,000 マイルを超えると航続距離は 10 ～ 20% 程度失われる可能性があります。 言い換えれば、本来航続距離 300 マイルの能力を備えた EV は、ライフサイクルのこの時点では依然として 240 ～ 270 マイルの航続距離を実現することになります。

これを確実に実現するために、バッテリー モジュールとパック自体には、各コンポーネントによって供給される電力 (理想的にはすべてのセルとモジュールで同一であること) とパックの熱を監視する多数のセンサーが搭載されています。 バッテリー管理システム (BMS) として知られる一連のソフトウェアが、この情報を監視します。

人間と同様、バッテリーも温度変化の影響を受けやすく、華氏約 70 度で最高のパフォーマンスを発揮します。 EV のバッテリー パックが熱くなりすぎる兆候がある場合、最新の HEV、PHEV、および BEV バッテリーの BMS は、熱を逃がして温度を 70 度に近づけるために、パック内に冷却剤を循環させます。 極度の寒さではバッテリーの電力が低下します。 EV 所有者が車両の事前調整を行っている場合、その制御ソフトウェアと BMS は、バッテリーを暖めるためにグリッド エネルギー (プラグが接続されている場合) またはバッテリー エネルギーを使用することがあります。 プレコンディショニングにより、ドライバーが発進するとすぐに EV バッテリーが特定の電力レベルを供給できるようになります。

バッテリー技術は常に進化しています。 現在のEVは圧倒的にリチウムイオンパックを使用していますが、将来のバッテリー駆動車の多くは異なる化学的性質を持つパックを使用する可能性があります。 例えば、固体電解質を含むセルを使用する全固体電池は、多くのメーカーが投資している有望な代替品です。実際、トヨタは20年代半ばまでに全固体電池を搭載した車両を導入する予定です。

全固体電池はより高いエネルギー密度を提供する予定であり、同様のリチウムイオン電池と比較してより長い航続距離が得られるはずです。 ただし、エンジニアは固体電池の製造にかかる材料コストの削減に取り組んでおり、この画期的な技術にはまだ道半ばです。 同様に、HEV、PHEV、または BEV の数千回の完全放電サイクルに対応するには、これらのセルの寿命を大幅に改善する必要があります。

いずれにしても、バッテリー駆動車両の将来は有望です。 電気自動車の効率と航続距離を向上させる新技術と、今後数年間でリチウムイオン電池パックのコストが著しく低下することに注目してください。

John Voelcker は、9 年間グリーン カー レポートを編集し、ハイブリッド、電気自動車、その他の低排出車およびゼロ排出車とそれらを取り巻くエネルギー エコシステムに関する 12,000 件を超える記事を出版しました。 現在は記者兼アナリストとして先進の自動車技術やエネルギー政策を取材している。 彼の作品は、Wired、ポピュラー サイエンス、Tech Review、IEEE Spectrum、NPR の「All Things Thinkinged」などの印刷物、オンライン、ラジオに掲載されています。 彼はキャッツキル山脈とニューヨーク市を行き来しながら、いつか国際的な謎の男になりたいという希望を今も抱いている。

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