「もっとBEV普及を」と意気込む側に欠けているバッテリーの「急所」認識 【短期集中連載：第二回 クルマ界はどこへ向かうのか】

「何を当たり前のことを」と思われるかもしれないが、バッテリーEV（以下、BEV）は電気エネルギーでクルマを走らせている。その際、電気はそのままの形では貯めておくことができないので、化学エネルギーに変換して貯める。その貯蔵機器が「バッテリー」である。

さてそのバッテリーの仕組みはあまり解説されていないので、まずはそこから入りたい。

文／池田直渡、写真／AdobeStock
■「ニッポンBEV出遅れ論」に見る大手メディアの節穴具合と実情 【短期集中連載：第一回［前編］ クルマ界はどこへ向かうのか】
■いまBEVが一般ユーザーの需要を「まともに」満たせるのは両極端だけ 【短期集中連載：第一回［後編］クルマ界はどこへ向かうのか】

■すこしだけ「化学」の勉強にお付き合いを

バッテリーは「セル」と呼ばれる基本単位を多数集めた構造体で、セルは正極と負極という1対2枚の金属板と、金属板同士のショートを防ぐセパレーター、その間を満たす電解液でできている。

物理現象としての充放電は、電解液を媒体とした正負極間のイオンの移動である。それはおおむね電極を構成する金属酸化物の仕事なのだが、これをバッテリー界隈の人は「活物質」と呼ぶ。性能の差異を作るのは主に正極なので、今回は正極の話として進めていきたい。

ノートPCやスマホ、BEVの普及や価格を決定づけるリチウムイオンバッテリー。開発に貢献したのは日本人の吉野彰氏。この功績で2019年にノーベル賞を受賞した。スマホやPCとBEVで決定的に異なるのが「使用量」。BEVはリチウムイオンバッテリーをスマホの数千台ぶん使う

正極の主素材にはいろんな選択肢があるが、動力用バッテリーの主流となる金属元素は「リチウム」である。

研究段階のものを含めれば、「ポスト・リチウム」としてナトリウムや水素など、日々のニュースでさまざまな次世代技術が発表されているが、商用化段階にある二次電池は、補機用の鉛電池か、ハイブリッドに多く使われるニッケル水素で、BEV用は実質的にすべてリチウムイオン電池が寡占している。次世代は次世代であって、今すぐあてにできるものではない。

化学的に安定した安全な物質、例えば水や二酸化炭素のような活発ではない物質ではバッテリーは作れない。高性能バッテリーには、不安定で危ない活発な物質が不可欠だと考えてほしい。実際、金属結晶のリチウムは水に触れただけで一気に酸化して激しく燃焼する。

電池におけるリチウムの役割はエンジンだ。反応の活発さはエンジンの出力のようなものといえる。リチウムは金属の中で最大のイオン化傾向を持つ。要するに大馬力のエンジンだ。

馬力がなければバッテリーとして性能が上がらないので大馬力は大歓迎なのだが、その馬力を適正にコントロールできないと燃えてしまう。制御方法はまだ工夫の最中で、決定版がない。バッテリーの研究開発とはその工夫の歴史である。

当然大馬力を制御するブレーキが必要だ。暴走への制御力は、この場合リチウムイオンを拘束する強さ、ということになる。

塩や雪の結晶を見ればわかるように、物質にはそれぞれ結晶を作る時に独特の形がある。おおまかにいって、ミルフィーユのように層状の平面でイオンを挟み込む結晶と、八面体立体構造のジャングルジム状の枠中にイオンを抱える結晶があり、金属を上手くブレンドすると強固なジャングルジムができて、より強くイオンを拘束できる。

バッテリーが熱暴走すると、このイオンを拘束している結晶構造が崩壊してブレーキが効かなくなる。強固な構造であるほど熱暴走への耐性が高い。要するに燃えにくい。

三元系リチウムイオンバッテリーで最もポピュラーなのは、ニッケル、コバルト、マンガンの3種類の金属の酸化物を使う方法で、これを上手く使うと最も丈夫な八面体結晶ができるというわけだ。

■「コバルト」の世界最大の産地に問題あり…

ところがこの三元系を構成する金属のひとつ、「コバルト」には供給面で大問題がある。

全世界のコバルト産出量の50％を占めるコンゴ民主共和国は、治安が悪い。日本の外務省の海外安全ホームページで見ると、ちょっと抜き出すのに気が引けるほど危ない事例が書いてある。地域によっては避難勧告が出ているし、そのほかのエリアも不要不急の渡航中止レベルである。

過去には反政府勢力が首都を制圧したこともあり、周辺国も巻き込んで30年間にわたって内戦状態にある。

政府側と反政府側のどちらも、コバルトの輸出で戦費調達を行っており、コバルトの採掘現場では11万～15万人が手掘りの厳しい環境での労働を行なっているが、わずか7歳のこどもまで労働に従事していることについて、アムネスティインターナショナルが厳しい警告を発している。

ということで、コバルトは国際情勢の面から安定供給までの道が遠い。そもそも「戦争の資金源と知りながら、コバルトを買っていいのか」という倫理的問題も抱えているのである。よって三元系バッテリーは性能面では現状最も優れているが、その原材料調達にネックを抱えているのである。

アムネスティの調査によると、コンゴ民主共和国におけるコバルト（世界の産出量50%を占める）のうち20%が同国南部で「手作業」で採掘されているとのこと。由々しき人権問題であり、世界中の人権団体が問題視している https://www.amnesty.or.jp/library/report/pdf/drc_201606.pdf

そこで代案として注目を集めているのがリン酸鉄リチウムイオンバッテリーである。

たぶん学校の授業で元素周期表を目にしたことがあると思うが、原子番号27のコバルトの前には26の鉄がある。この周期表では似た性質の元素が横に並ぶので、周期表で隣り合った鉄はコバルトの代用ができる可能性があるのだ。

実はリン酸鉄バッテリーは最近発明されたものではないのだが、三元系に比べてエネルギー密度が低いことはわかっていたので、あまり盛んに研究されてこなかった。

しかし中国人研究者が正極材の微細粉末化と極板表面のカーボンコーティングでブレークスルーを果たしたことで実用化された。この技術は2022年までは中国国内の製造者に限って特許が公開されていたが、特許切れによって2023年から世界中のメーカーが製造できるようになった。こうした事情により、中国以外の国にとって2023年はリン酸鉄のバッテリー元年となったのである。

現在、世界中の技術者の注目を集めているリン酸鉄バッテリーだが、本質的には、BEVの欠点のひとつとされている航続距離で不利なことは変わらない。要するにエネルギー密度の低さが課題なのだが、三元系へのアドバンテージとしては高価な素材を使わない点が挙げられる。

コバルトとニッケルという高価な素材に代えて、鉄とリンという極めてありきたりで安価な素材を使うぶん安いのだ。

■高くて危険なリチウムにも安いリン酸鉄にも問題が

バッテリーメーカーの企業秘密なので材料の詳しい比率は明らかになっていない。しかし、おおむねの話として、三元系バッテリーはどんどんニッケルの含有量を増やして高性能化していく流れで、リチウムそのものは7％程度といわれる。対してニッケルはその6～7倍は含まれる。

要するに、バッテリーとはわりと「ニッケルの塊」なのだ。

それ以外にはコバルトが等倍から2倍程度含まれている。あとは安いマンガンやアルミなど。つまり高価な素材が多く含まれているから高いわけだが、意外なメリットとしては、リサイクル時にはコバルトとニッケルが売り物になるということでもある。

おそらく今後、原材料不足の見地からも、採掘の環境負荷の見地からも、バッテリーのリサイクルは義務化されていくだろう。そうなった時に困るのがリン酸鉄バッテリーだ。

スマホやノートPCの普及によって一気に世界需要が急増したバッテリー。世界中で技術開発が続いているが、「BEV用」についてはなにしろ「使用量」が膨大なため、「廃棄≒リサイクル」の問題に関して、いまだ解決の糸口が見つかっていない

リン酸鉄バッテリーの場合、リチウムの含有量は4％程度と言われているが、三元系におけるニッケルの代わりに大量に含まれているのが鉄で3～4割。その次がマンガンで2割程度である。

鉄とリンはリサイクル費用がバージン原料より高くつくため、リサイクル素材としてほぼ商品価値がない。価値がないだけなら燃やして埋めてしまえばいいのだが、もうひとつの懸念はマンガン含有量の多さだ。マンガンは生殖毒性のほか、水棲生物への長期的影響なども指摘されており、リサイクルせずに廃棄すると土壌汚染など問題が多い。しかもマンガンもまた単価が安い原材料だ。

つまりリン酸鉄バッテリーは、リサイクル時に再生される材料に市場価値がないので、ビジネスにならない。となれば、新車の販売時にリサイクル費用が加算されるようになる可能性が高い。その時にはたして三元系と比べて安価かどうかはかなり怪しい。

エネルギー密度で遅れを取っても価格が魅力なのが特徴だが、今後も通用するのかどうかの懸念があるわけだ。

このあたりはバッテリーリサイクル制度がどうなるかによる。包括的にバッテリー全部に義務化されるのか、マンガンの含有率で区別されるか。それは制度ができてみるまでわからない。

三元系は原材料の調達に、リン酸鉄系は廃棄問題とリサイクル問題が課題として残る。

■「ゲームチェンジャー」のはずの全固体電池にも問題が

「でも、次世代は全固体電池でしょ？」という声は多いのだが、全固体電池もまた別の課題がある。

全固体電池とは、その名のとおり、従来の液体電解質の代わりに固体の電解質を用いる。確かに、イオンの移動が速いため、充放電のどちらにも瞬発力に優れるだけでなく、油ベースの電解質がないため圧倒的に燃えにくい。エネルギー密度が高い。劣化しにくく長寿命。作動温度が幅広いなど多数のメリットがあると言われている。

日本企業ではトヨタが全固体電池の搭載と市販化を「2027-2028年頃」と公表。いくつかある技術的なブレイクスルーのひとつを突破したとのこと。発表時、多くの経済系メディアでは「BEV普及のゲームチェンジャーに」と報道され、本誌としても登場が楽しみだが、実際に発売できても課題が多い…というのが今回のテーマです

多くのメリットは正負極の間を固体電解質で埋めることによるものだが、そこに問題が発生する。充放電によって温度変化が起き、膨張と収縮を繰り返すので、固体電解質にヒビが入る。ヒビが入れば通電しなくなる。

本来の素性としては耐久性が高いはずだが、これまで固体電解質の素材特性によってむしろ耐久性にネックを抱えていた。

2023年10月12日に発表されたトヨタ自動車と出光興産の全固体電池の実用化へ向けた協業の発表は、この問題を解決するものだった。ポイントは柔らかい固体電解質を使う点にある。電解質が柔軟で膨張と収縮を吸収できるのでヒビが入らない。

具体的には、硫化リチウム系の電解質を使う。硫化リチウムを使うということは、基本的素養として、加熱されると致死性の高い硫化水素が発生する可能性がある。電気化学特性が優れることばかり注目されるが、現時点では硫化水素対策がどうなっているかは発表されていない。ただ硫化物質というだけで怖がっているだけかも知れないが、留意しておきたいポイントである。

さて、この硫化リチウム系の電解質は、まだ商用化されていない。消費量が限られている間は生産量が増えず、量産効果が効かないのでどうしてもコストが高くなる。

多くのメディアでは当たり前のように「ゲームチェンジャー」として扱われている全固体電池ではあるが、当分は高価であり、高級車用の限定的技術にならざるを得ない。大量生産に至らなければゲームチェンジャーにはなれない。

■高性能バッテリーには「充電器どうする？」問題も

もう一点、性能的にはおそらくズバ抜けており、トヨタの発表をみれば満充電で航続距離1200kmを狙えるという記述もある次世代バッテリー搭載車には、大きな課題がある。考えてみてほしい。現在のBEVの電費は1kWhあたり5km程度。仮にこれが倍の10kmになったとしても、バッテリーの容量は120kWhとなる。

それだけの大容量バッテリーを充電できる急速充電器には、どの程度の性能が求められるかだ。

120kWhの8掛けは96kWh。約100kWhを30分で充電しようと思えば、理論値で200kWの超高出力充電器が必要だ。高速充電器の性能に現状の4倍程度のジャンプアップが求められるし、当然それを支える電力インフラの増強も必要になる。そういう充電インフラは誰の負担で整備されるのだろうか？

現在各所で、日本の充電器の出遅れ論が盛んだが、150kW以上の高出力充電器の性能を引き出せるのは、輸入車の高級モデルだけ。つまり騒いでいるのは一部の金持ちで、60kWh程度のバッテリーを積んだ普通のBEVにとっては無用の長物である。そんなに高出力を受け入れる設計になっていない。多少背伸びをしたとてせいぜい出力100kW程度の充電性能で十分だからだ。

つまり、（たとえば全固体電池を搭載した高性能BEVを日常遣いできるよう経路充電設備を整えるため、高出力充電器を用意するとしたら）限られた金持ちの充電環境のために多くの庶民がコスト負担するかたちにならざるを得ない。そのうえで、それは普及クラスを中心にBEV全体の価格上昇を招く。

いまBEVを本当に普及させることを考えると、これ以上車両価格上昇を容認すべきタイミングだろうか？

ジャパンモビリティショー2023で公開されたレクサスLF-ZC。2026年頃に市販予定とのこと。次世代電池（全固体電池ではないが「パフォーマンス版」と呼ぶリチウムイオン電池）が搭載され、満充電での航続距離は1000kmに達するという。もちろんこういう超高級車は、自宅とレクサス販売店に高性能充電器を用意しておけばカバーできるが、しかし「普及」を考えると、こういう技術だけでは足りないことがわかる

もちろん長期的にみれば、さまざまなコストが下がった結果、BEVの充電受け入れ能力の平均値が上がって、普及クラスのBEVも200kWの充電器で15分充電すればいい状況も来るかもしれないが、現時点で現状からあまりにも飛躍しすぎているので、到達には時間がかかると思われる。

つまり、「全固体電池がゲームチェンジャーである」という話は、長期的視点に立てば事実だが、それがデビューしたら翌年から世界が変わるというものではない。

おそらくトヨタはレクサスのいくつかのフラッグシップ店に限定的に高速充電器を配備し、そういうスーパーBEVオーナーの利用に備えるかたちになるだろう。高速道路のPA・SAへの高速充電器配備もまた限定的で、誰もが自由に使える状況は当分期待できないと考えるべきだろう。

さて、BEVの普及にバッテリーの進化が求められているということは多くの人が理解していると思われるが、本当のところ、いったいどういう問題があるのかについて、種類別につまびらかにするのが今回の記事の目的だった。

バッテリーはまだまだ進化の途上なのである。

「池田直渡の脱炭素の闇と光」シリーズ一覧はこちらから

Comments

[ncx********]

ゆくゆくはＥＶになっていくのかもしれませんが、
それは今じゃない。
現状の性能では限界。
よほどのブレークスルーがあってからでしょう。
ただ、ＩＣＥも消えないと思う。
かつてクォーツショックてのがありました。
機械式時計が駆逐されるような勢いでしたが残りましたよ。
私は機械式時計を使っています。
ロレックスやオメガの方が好きですけどね。
アップルウォッチは嫌い。

[NAS********]

EVの電池が危険だというのが良くわかったわ
熱暴走で現代のEVが良く燃えるのも納得
技術力がハンパなく未熟なんだね