電気自動車用バッテリーの進化：鉛蓄電池からリチウムイオン電池へ

はじめに

電気自動車（EV）の開発は長年にわたって目覚ましい変貌を遂げてきたが、その進化の中心には、EVを駆動するバッテリー技術がある。この記事では、鉛蓄電池の黎明期からリチウムイオン・テクノロジーが主流を占める現代まで、電気自動車用バッテリーの進化について時代を追って紹介する。

鉛蓄電池先駆者たち

19世紀後半、鉛蓄電池は電気自動車に広く使用される最初の電池として登場した。これらの電池は、電気エネルギーを生成するために二酸化鉛（正極板）、スポンジ鉛（負極板）、硫酸電解液の化学反応を利用した。初期のころは、さまざまな用途で重要な役割を果たした。

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図1.鉛蓄電池の典型的な構造

しかし、これらの初期のEVは、当時の技術による大きな制限に直面していた。エネルギー密度と航続距離が限られていたため、長旅や都市間移動での実用性が妨げられていた。その上、初期の充電インフラはほとんど存在せず、充電には時間がかかった。この利便性の低さが、EVの実用性をさらに制限していた。

そのような課題にもかかわらず、鉛蓄電池は今日でも使用されている。自動車用始動バッテリー、無停電電源装置（UPS）、オフグリッド再生可能エネルギー・システムなど、さまざまな用途で一般的に使用されている。

ニッケル水素電池：一歩前進

²⁰世紀初頭、トーマス・エジソンはニッケル鉄電池を開発しました。この充電式電池は、プラスの酸化ニッケル水酸化物電極（NiOOH）、マイナスの金属水素化物電極（MH）、アルカリ電解液の間の電気化学反応に依存している。ニッケル水素電池（NiMH電池）は、より高いエネルギー密度とより長い走行距離を提供したが、EVの標準にはならなかった。

リチウムイオン電池：ゲームチェンジャー

21世紀は、リチウムイオンバッテリーの普及によって、EVのバッテリー技術に目覚ましい変化が起こった。リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、航続距離が長く、充電速度が速いため、現代の電気自動車の標準となっている。充電中、リチウムイオン（Li+）は電解質を通って正極から負極に移動し、エネルギーを蓄える。放電段階では、これらのLi+イオンが正極に戻り、電流が発生する。

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図2.リチウムイオン電池の構造

リチウムイオン電池を際立たせているのは、その優れた特徴と多様性である。高いエネルギー密度、持続可能性、低い自己放電率を誇り、長期間にわたって充電が維持される。リチウムイオン電池の正極には、民生用電子機器向けのコバルト酸リチウム（LiCoO2）、電気自動車向けのリン酸鉄リチウム（LiFePO4）、エネルギーと出力密度のバランスをとるためのニッケルコバルトマンガン酸リチウム（NCM）またはニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム（NCA）など、さまざまな素材がある。

この多様性により、リチウムイオンバッテリーは消費者向けガジェットから電気自動車まで、多様なアプリケーションの燃料となり、その能力と持続可能性をさらに拡大するために、固体電池やコバルト削減努力など、現在進行中の技術革新に拍車をかけている。

EVバッテリーの未来：

EV用電池の進化はまだ終わっておらず、将来にはエキサイティングな展望が待っている。

l固体電池： 固体リチウムイオン電池の開発は、電池技術の大きな飛躍を意味する。これらの電池は、従来の液体電解質電池と比較して、高いエネルギー密度、高い安全性、長寿命を約束します。

lコバルトの削減： コバルト採掘をめぐる環境的・倫理的懸念が根強い中、リチウムイオン電池に含まれるコバルトを削減または排除する取り組みが進められている。これらの努力は、コバルトの採掘に関連する環境的・社会的影響を最小限に抑え、より持続可能で責任あるバッテリー化学物質を作り出すことを目的としています。

l急速充電： 急速充電技術の急速な進歩は、従来の自動車への給油と同じように充電を便利にすることで、EVに革命をもたらしている。急速充電インフラは拡大し続けており、充電時間を大幅に短縮し、EV普及の主な障壁のひとつに対処している。

結論

まとめると、電気自動車用バッテリーの進化は著しい進歩を遂げ、現在はリチウムイオン技術が市場を支配している。技術の進歩が進むにつれて、電気自動車用バッテリーの将来は、エネルギー密度のさらなる向上、充電の高速化、持続可能性の向上が約束されている。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、リチウムイオン電池ファミリーの主要サプライヤーです。ご興味のある方はお問い合わせください。

参考文献

[1] Manhart, Andreas & Magalini, Federico & Hinchliffe, Daniel.(2018).オフグリッド太陽光発電セクターにおけるバッテリーの使用済み管理 途上国の太陽光発電プロジェクトから出る有害バッテリー廃棄物にどう対処するか？委託出版：GIZ Sector Project Concepts for Sustainable Solid Waste Management and Circular Economy; Energising Development (EnDev) との共同開発。

[2] Madian, M.; Eychmüller, A.; Giebeler, L. Current Advances in_TiO2-Based Nanostructure Electrodes for High Performance Lithium Ion Batteries.Batteries 2018,4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007