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電気自動車用バッテリーとは、バッテリー式電気自動車（BEV）またはハイブリッド電気自動車（HEV）の電気モーターに電力を供給するために使用される充電式バッテリーのことです。
これらは一般的に、高い出力重量比とエネルギー密度を実現するように設計されたリチウムイオン電池です。液体燃料と比較すると、現在のほとんどの電池技術は比エネルギーがはるかに低くなっています。そのため、車両の重量が増加したり、航続距離が短くなったりします。
リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物を使用したLi-NMC電池は、EVで最も一般的です。リン酸鉄リチウム電池（LFP）は増加傾向にあり、2023年にはBEV向け容量で世界市場シェアの41%に達しました。[ 1 ]： 85 LFP電池は重いですが、安価で持続可能です。しかし、一部の商用乗用車メーカーは現在、重要な鉱物を必要としないナトリウムイオン電池の使用を開始しています。[ 2 ]
バッテリーは電気自動車のコストと環境負荷のかなりの部分を占めています。業界の成長に伴い、倫理的なバッテリーサプライチェーンの確保への関心が高まり、これは重要な地政学的課題となっています。化石燃料の精製にも必要な採掘コバルトの使用量を削減することは、研究の主要な目標となっています。多くの新しい化学組成が、実験室試験で800Wh/kgを超える性能でLi-NMCに取って代わろうと競い合っています（固体電池を参照）。
2019年には、電気自動車用バッテリーのコストがキロワット時当たりで87%低下したと言われている。[ 3 ]
2023年にはEVBの需要が750GWhを超えました。[ 1 ] EVBは、内燃機関車の始動、照明、点火（SLI）に使用される自動車用バッテリーよりもはるかに高い容量を持っています。2023年に利用可能なEVモデルのバッテリー容量は21～123kWhで 、平均は80kWhでした 。[ 4 ] [ 5 ]
2024年現在、 Li-NMC、LFP、 Li-NCAのバリアントを持つリチウムイオン電池（LIB）がBEV市場を支配しています。2023年の世界全体の生産能力は合計で約2000 GWhに達し、そのうち772 GWhが2023年にEVに使用されました。生産の大部分は中国で行われ、その年の生産能力は45%増加しました。[ 1 ]： 17エネルギー密度が高くサイクル寿命が長いため、リチウムイオン電池はEVで使用される主要な電池タイプとなっています。これらは当初、ラップトップや民生用電子機器で使用するために開発され、商品化されました。最近のEVでは、耐火性、環境への優しさ、急速充電、長寿命を実現するために、比エネルギーと比出力を犠牲にしたリチウムイオン化学の新しいバリエーションが使用されています。これらのバリアントは、はるかに長い寿命を持つことが示されています。たとえば、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を含むリチウムイオンセルは、機械的強度が増し、劣化が抑制され、電池の寿命が長くなります。[ 6 ] [ 7 ]
リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物は高性能で、2010年代以降、BEV製造の世界標準となっています。一方、必要な鉱物の採掘は環境問題を引き起こします。従来のNMC電池の欠点としては、温度に対する感度、低温での電力性能、経年劣化による性能低下などが挙げられます。[ 25 ]有機電解質の揮発性、高度に酸化された金属酸化物の存在、およびアノードSEI層の熱不安定性のため、従来のリチウムイオン電池は、穴が開いたり不適切に充電されたりすると火災の危険性があります。初期の電池は、極寒時には充電を受け付けたり供給したりできませんでした。一部の気候では、ヒーターを使用して温めることができます。
リン酸鉄リチウム電池は、 NMC電池よりも航続距離は短いものの、安価で安全かつ持続可能性が高い。[ 26 ]重要な鉱物であるマンガンとコバルトを必要としない。2023年以降、LFPは中国で主要な技術となっているが、ヨーロッパと北米での市場シェアは10%未満にとどまっている。[ 1 ]： 86 LFPは、グリッドエネルギー貯蔵において支配的なタイプである。
チタン酸リチウム またはリチウムチタン酸化物（LTO）電池は、熱暴走のリスクが低く、広い温度範囲で効果的に動作するため、高い安全性で知られています。[ 27 ] LTO電池は、10,000回の充放電サイクルを超えるサイクル寿命が優れていることがよくあります。[ 28 ]また、高い充電受容性により、急速充電も可能です。[ 29 ]ただし、他のリチウムイオン電池と比較すると、エネルギー密度は低くなっています。[ 30 ]
ナトリウムイオン電池は、重要な材料を一切使用しません。[ 31 ]塩水に含まれるナトリウムは入手が容易なため、コスト予測は低くなっています。2024年初頭、中国の様々なメーカーが最初のモデルの納入を開始しました。 [ 2 ]アナリストは、特に小型EV、バイク、三輪車への使用において、このタイプの電池には大きな可能性を見出しました。[ 32 ] 2024年初頭、JAC Yiwe（モデルSehol E10X）とJMEV（EV3 Youth Edition）は、これらの電池を使用した小型で手頃な価格のEVの生産を開始しました。[ 33 ] 2026年には、長安Nevo A06などの量産車に搭載されました。[ 34 ]
複数の種類が開発中です。
20 世紀には、ほとんどの電気自動車は、成熟した技術、高い入手性、低コストのため、液式鉛蓄電池を使用していた。鉛蓄電池は、1996 年版のEV1のような初期の近代的な EV に電力を供給していた。鉛蓄電池には、自動車のエンジン始動用バッテリーと、フォークリフトやゴルフカートなどの電気自動車を継続的に動かすためのディープサイクルバッテリーの 2 つの主要なタイプがある。 [ 35 ]ディープサイクルバッテリーは、レクリエーション用車両の補助バッテリーとしても使用されるが、異なる多段階充電が必要である。50% 未満に放電すると、バッテリーの寿命が短くなる可能性がある。[ 36 ]液式バッテリーは、電解液レベルの検査と、通常の充電サイクル中にガス化する水の定期的な交換が必要である。鉛蓄電池を搭載した EV は、1 回の充電で最大130 km (81マイル)走行できる。
ニッケル水素電池は成熟した技術と考えられています。[ 37 ]充電と放電の効率は鉛蓄電池よりも低い（60～70%）ものの、比エネルギーは30～80 W·h/kgと高くなっています。適切に使用すれば、ニッケル水素電池は非常に長い寿命を持つことができ、ハイブリッド車や、10万マイル（16万km）以上、10年以上使用してもなお正常に動作する初代NiMHトヨタRAV4 EVで実証されています。欠点としては、充電サイクルが不安定であることや、-20 ℃以下の天候では性能が低下することが挙げられます。 [ 38 ] GM Ovonicは、第2世代EV-1で使用されたNiMHバッテリーを製造しました。[ 39 ]プロトタイプのNiMH-EVは、最大200km （120マイル）の航続距離を実現しました。
塩化ニッケルナトリウム、または「ゼブラ」電池は、1997年から2012年までの初期の電気自動車で使用されていました。溶融塩化アルミン酸ナトリウム（NaAlCl 4）塩を電解質として使用しています。比エネルギーは120 W·h/kgです。使用時に加熱する必要があるため、低温は加熱コストの増加を除いて動作に大きな影響を与えません。ゼブラ電池は数千回の充電サイクルに耐えることができ、無毒です。ゼブラ電池の欠点としては、比出力が低い（<300 W/kg）ことと、電解質を約270 °C（518 °F） まで加熱する必要があり、エネルギーが無駄になり、充電の長期保存が困難になり、潜在的に危険となることが挙げられます。[ 40 ]
初期の電気自動車で使用されていたその他の充電式バッテリーの種類には、
CTxシリーズ：
最初の段階では、材料[ 45 ]はオーストラリア[ 46 ] 、ロシア[ 47 ] 、ニューカレドニア、インドネシア[ 48 ] [ 49 ]など、世界のさまざまな地域で採掘されます。以降のすべてのステップは現在中国が支配しています[ 50 ] [ 51 ]。材料が前処理工場で精製された後、電池製造会社がそれを購入し、電池を製造し、パックに組み立てます。自動車製造会社はそれを購入し、自動車に取り付けます。このプロセスの環境への影響に対処するため、サプライチェーンは持続可能性にますます重点を置き、希土類鉱物への依存を減らし、リサイクルを改善する努力をしています[ 52 ]。
EVバッテリーの製造工程は、主に材料製造、セル製造、統合の3つの段階に分かれており、EVバッテリーの製造工程図ではそれぞれ灰色、緑色、オレンジ色で示されています。この図に示されている工程には、セルハードウェア、つまりケースや集電体の製造は含まれていません。材料製造工程では、まず活物質、導電性添加剤、ポリマーバインダー、溶剤が混合されます。その後、集電体に塗布され、乾燥工程に進みます。この段階では、活物質の製造方法は電極と化学組成によって異なります。
正極には主に遷移金属酸化物、すなわちリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（Li-NMC）またはリチウム金属リン酸塩、すなわちリチウム鉄リン酸塩（LFP）が用いられる。負極の最も一般的な材料はグラファイトである。しかし近年、Si混合負極（Sila Nanotech、ProLogium）やリチウム金属負極（Cuberg、Solid Power）を製造する企業が数多く登場している。
一般的に、活性材料の製造には、材料の準備、材料の加工、精製の3つのステップがあります。Schmuchらは材料製造についてより詳細に議論しました。[ 53 ]
セル製造段階では、準備された電極を円筒形、長方形、またはパウチ状のパッケージに適した形状に加工します。その後、電解液を充填してセルを密封し、アノードを保護するSEI層を形成するために、バッテリーセルを慎重に充放電サイクルさせます。最後に、これらのバッテリーをパックに組み立て、車両への搭載準備を整えます。
電気自動車 (EV) の場合、実際の寿命は、航続距離が低下しても所有者が EV を運転し続ける意思があるかどうか、車両の他のコンポーネントの状態、車両が衝突に関与しているかどうかなど、車両ごとに異なる多くの要因によって定義されます。ただし、実用性の観点から、再利用研究では、バッテリーの容量が初期容量の 80% まで低下したときを寿命の終わりと定義するのが一般的です。[ 55 ]これは、米国バッテリー コンソーシアムの定義に由来していると思われます。「寿命の終わりは、正味の DST 供給容量または 80% DOD でのピーク電力能力のいずれかが定格の 80% 未満になったときに発生すると明確にされています。」[ 56 ]廃棄物管理方法の 1 つは、パックを再利用することです。パックを定置型ストレージに再利用することで、バッテリー パックからより多くの価値を引き出し、kWh あたりのライフサイクル インパクトを削減できます。
EV の動作中、動作中の温度や充電/放電パターンに応じて、不均一で望ましくないバッテリー劣化が発生します。各バッテリーセルは動作中に異なる劣化を起こす可能性があります。現在、バッテリー管理システム(BMS) からの健全性(SOH) 情報はパックレベルでは抽出できますが、セルレベルでは抽出できません。エンジニアは、次世代の熱管理システムを設計することで劣化を軽減できます。電気化学インピーダンス分光法(EIS) は、バッテリーパックの品質を保証するために使用できます。[ 54 ] [ 57 ]
モジュールやセルを分解するには、コストと時間がかかります。モジュールは完全に放電する必要があります。その後、パックを分解して、セカンドライフ用途の電力とエネルギー要件を満たすように再構成する必要があります。再生会社は、モジュールから放電されたエネルギーを販売または再利用することで、このプロセスのコストを削減できます。ロボットは、分解プロセスの安全性を高めるために使用されています。[ 54 ] [ 58 ]
バッテリー技術は不透明で、標準規格がありません。バッテリー開発はEVの中核部分であるため、メーカーがパックに正極、負極、電解質の正確な化学組成を表示することは困難です。さらに、セルとパックの容量と設計は毎年変更されます。再生会社は、この情報をタイムリーに更新するためにメーカーと緊密に連携する必要があります。一方、政府は表示基準を定めることができます。[ 54 ]
最後に、バッテリーのコストは予想よりも速いペースで低下しています。再生品は新品のバッテリーよりも市場での魅力が低い可能性があります。[ 54 ]
それにもかかわらず、使用済みEVバッテリーを使用した蓄電プロジェクトの例に見られるように、セカンドライフアプリケーションではいくつかの成功例があります。これらは、ピークカットや再生可能エネルギー源の追加蓄電など、要求の低い定置型蓄電アプリケーションで使用されています。[ 54 ]
バッテリーの寿命は、二次利用を可能にすることで延長できますが、最終的にはEVバッテリーはリサイクルする必要があります。リサイクル性は現在、バッテリーメーカーにとって重要な設計上の考慮事項ではなく、2019年には電気自動車用バッテリーのわずか5%しかリサイクルされていません。[ 59 ] しかし、循環を閉じることは非常に重要です。将来的にニッケル、コバルト、リチウムの供給が逼迫すると予測されているだけでなく、EVバッテリーのリサイクルは環境上のメリットを最大化する可能性も秘めています。Xuらは、持続可能な開発シナリオでは、リサイクルが行われない場合、リチウム、コバルト、ニッケルは将来的に既知の埋蔵量に達するか、それを超えるだろうと予測しました。[ 60 ] CiezとWhitacreは、バッテリーのリサイクルを導入することで、採掘による温室効果ガス（GHG）の排出をある程度回避できることを発見しました。 [ 61 ]
BEV技術は多くの国で確立されたリサイクルフレームワークを欠いており、BEVやその他のバッテリー駆動電気機器の使用は大きなエネルギー消費となり、最終的にはCO2排出量を増加させることになる。特に再生可能エネルギー資源が不足している国ではその傾向が顕著である。 [ 62 ]
世界中でリサイクル技術の開発と導入を促進するための多くの取り組みが行われてきました。米国では、エネルギー省車両技術局（VTO）が、リサイクルプロセスの革新と実用性を目指した2つの取り組みを立ち上げました。ReCellリチウムリサイクルRDセンターは、3つの大学と3つの国立研究所を結集して、革新的で効率的なリサイクル技術を開発しています。特に注目すべきは、直接カソードリサイクル法がReCellセンターによって開発されたことです。一方、VTOは、現在の課題を解決するための革新的なソリューションをアメリカの起業家が見つけることを奨励するために、バッテリーリサイクル賞も設立しました。[ 63 ]
EVバッテリーのリサイクルは、リチウム、コバルト、ニッケル、希土類元素などの貴重な材料を回収するのに役立ち、新たな採掘の必要性を減らし、天然資源を保護し、採掘の影響、エネルギー消費、温室効果ガスの排出を最小限に抑えることで、バッテリー生産に伴う環境負荷を軽減します。[ 64 ] [ 65 ]
EVバッテリーのライフサイクルをより深く理解するためには、さまざまなフェーズに関連する排出量を分析することが重要です。NMC円筒形セルを例にとると、CiezとWhitacreは、米国の平均的な電力網の下では、原材料の前処理とバッテリー製造中に約9 kg CO 2 e kgバッテリー-1が排出されることを発見しました。排出量の大部分は材料の準備によるもので、排出量の50%以上を占めています。NMCパウチセルを使用すると、総排出量はほぼ10 kg CO 2 e kgバッテリー-1に増加しますが、材料製造は依然として排出量の50%以上を占めています。[ 61 ]使用済み管理フェーズでは、再生プロセスはライフサイクル排出量にほとんど排出量を追加しません。一方、CiezとWhitacreが示唆するように、リサイクルプロセスは大量のGHGを排出します。バッテリーリサイクル排出量のグラフaとcに示すように、リサイクルプロセスの排出量は、さまざまなリサイクルプロセス、さまざまな化学、さまざまなフォームファクターによって異なります。したがって、リサイクルしない場合と比較して回避される正味排出量もこれらの要因によって変化します。図bとdに示すように、一見すると、直接リサイクルプロセスはパウチ型電池のリサイクルに最も理想的なプロセスであり、一方、湿式冶金プロセスは円筒型電池に最も適しています。ただし、示されている誤差範囲では、最良のアプローチを自信を持って選択することはできません。リン酸鉄リチウム（LFP）化学の場合、正味の利益はマイナスであることに注意する価値があります。LFPセルには、製造に高価でエネルギー集約的なコバルトとニッケルが含まれていないため、採掘の方がエネルギー効率が高くなります。一般的に、単一セクターの成長を促進することに加えて、EVバッテリーのライフサイクル排出量を削減するために、より統合的な取り組みを行う必要があります。希土類材料の総供給量が有限であることは、明らかにリサイクルの必要性を正当化します。しかし、リサイクルの環境上の利点は、より詳細な検討が必要です。現在のリサイクル技術に基づくと、リサイクルの正味の利益は、形状要因、化学、および選択されたリサイクルプロセスに依存します。
電気自動車への移行には、当初は2015年の87倍の特定の金属を採掘する必要があると推定されており、将来的にはリサイクルが需要の一部を賄うことになる。[ 66 ] IEAの2021年の調査によると、EVの需要を満たすためには、鉱物供給量を2020年の400キロトンから2040年には11,800キロトンに増やす必要がある。この増加は、生産の60%が中国に集中しているためサプライチェーンの問題から、採掘作業の大幅な増加による気候や環境への重大な影響まで、多くの重要な課題を生み出している。[ 67 ]しかし、2022年の石油需要の45%は道路輸送用であり、バッテリーは2050年までにこれを20%に減らす可能性がある[ 68 ]。これは、バッテリーの製造に使用される原材料の数百倍もの原材料を節約することになる。[ 69 ]
資源が豊富だが経済的に不利なコミュニティが社会的および生態学的コストを負担する一方で、より裕福な国々がこれらの技術から利益を得ているため、分配とエネルギーの不公正に関する懸念が依然として残っています。 [ 70 ] [ 71 ]学者たちはこれらの地域を犠牲地帯と表現し、先住民や低所得者層が緩慢な暴力と環境破壊を経験しています。[ 72 ] [ 73 ]多くの場合、鉱山プロジェクトは意味のある協議/同意なしに進められ、地域社会は自分たちに影響を与える決定に発言権を持たず、手続き上の不公正の問題が浮き彫りになっています。[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] DRC鉱業法[ 77 ]やOECDデューデリジェンスガイダンス[ 78 ]などの規制政策は問題に対処することを目的としていますが、執行の弱さ、腐敗、拘束力のない約束に直面し、その有効性が制限されています。
EVバッテリーの需要の高まりにより、特にフィリピン[ 79 ]、コンゴ民主共和国（ DRC ） [ 80 ]、チリ[ 81 ] [ 82 ] 、インドネシア[ 83 ]などの発展途上国で、ニッケル、銅、リチウム、コバルトの採掘が激化している。インドネシアでのニッケル採掘は、深刻な森林破壊と河川の重金属汚染を引き起こし、これらの生態系に依存するコミュニティに影響を与えている[ 84 ] [ 76 ] [ 85 ] 。DRCでは、採掘により、社会的に弱い立場にある人々が、大気、水、土壌中の高濃度の有毒金属にさらされているが、補償や保護はほとんどなく、採掘規制に影響を与えたり、より良い労働条件を要求したりする力もない[ 80 ] 。
チリのアタカマ塩湖では、リチウム採掘が地域の淡水供給量の65%を消費し、干ばつを悪化させ、先住民コミュニティに影響を与えている。[ 81 ] [ 86 ] 1メートルトンのリチウムを生産するには、40万～200万リットル（10万～50万ガロン）の水が必要である。[ 81 ] [ 87 ] 2024年1月、先住民主導の抗議活動により採掘作業が阻止され、塩湖に関する意思決定への参加が要求された。[ 88 ]影響を受けるコミュニティでは、自由意思に基づく事前の情報提供と同意（FPIC）が遵守されていないことが懸念されている。[ 89 ]
バッテリーの平均コストは、バッテリー化学と製造の進歩により、2010年から2024年の間に90%減少しました。[ 8 ] : 3 バッテリーはEVの総コストのかなりの部分を占め、多くの場合、車両の総価格の30～40%を占めます。[ 90 ]しかし、EVバッテリーのコストは、技術の進歩、規模の経済、製造プロセスの改善により、長年にわたって着実に減少しています。 [ 91 ] EVバッテリーには通常、一定年数または走行距離をカバーする保証が付いており、これは時間の経過に伴う耐久性と信頼性に対する自信を反映しています。[ 92 ]
リチウムイオン電池パックのコストは、特に内燃機関車（ICEV）とのコスト同等性を達成する上で、バッテリー電気自動車（BEV）の普及における主要な障壁となっている。バッテリーの総コストの大部分（約70%）はセルに使用される材料に起因し、カソードだけでこの材料コストの40～45%を占めている。[ 93 ]原材料、特にニッケルとコバルトの価格変動が大きいことが、カソード活物質（CAM）のコストに大きな影響を与え、ひいてはバッテリーパック全体のコストに影響を与える。
2019年の論文によると、その時代の新しいモデルはボトムアップアプローチを採用し、固定CAM価格に頼るのではなく、原材料金属価格からバッテリーコストを計算した。このアプローチにより、コバルトとニッケルの価格変動がNMC、NCA、LMO、LNMO、LFPなどのCAMのコストにどのように影響するかが明らかになった。ニッケル含有量の多いカソード（例：NMC811、NCA）への移行により、エネルギー密度を高め、コバルト含有量を減らすことで材料コストが削減されることが示された。[ 94 ]
技術経済分析によると、エネルギー需要が大きいBEV（例えば、航続距離320km 、200マイル）は、電極が厚くなり規模の経済が改善したことにより、kWhあたりのコストが低減されるというメリットがあります。例えば、パックレベルのコストは、プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV10）の約545ドル/kWhから、BEV200車両の約230ドル/kWhまで幅があります。[ 95 ]これらの削減は、楽観的なプロセス改善のみで達成される削減よりも大きなものです。
規模の経済はバッテリーコストの削減に重要な役割を果たしますが、年間生産量が200～300 MWhを超えると大幅な削減は頭打ちになります。[ 96 ]さらなる削減には、工場規模の拡大、ロールツーロール電極製造の改善、および設備稼働率の向上が必要になる可能性があります。現在、実行可能な最小工場規模は年間2 GWh未満ですが、コスト効率と市場成長を維持するためには、将来的に年間15 GWhを超える必要があるかもしれません。[ 96 ]
1つの問題は購入価格であり、もう1つの問題は総所有コストです。電気自動車の総所有コストは、ガソリン車やディーゼル車よりも低い場合が多いです。 [ 98 ] 2024年にガートナーは、2027年までに次世代BEVは平均して同等のICEよりも製造コストが安くなると予測しました。[ 99 ]中国では、BEVは現在、同等の内燃機関車よりも安価です。[ 100 ]この開発は、中国市場における補助金によって推進されています。米国は関税で自国のメーカーを保護していますが、EUではこれが議論されています。これにより、コストパリティが遅れる可能性があります。
電気自動車のバッテリーの質量は、航続距離を同等にする上での制約要因となっている。ディーゼル燃料やガソリンは、現在のEVバッテリーの50倍以上のエネルギー密度を持っている。
実用上、充電速度はバッテリー容量よりも重要です（充電のセクションを参照）。乗用車に搭載されている一般的なEVバッテリーの質量は300～1,000kg （660～2,200ポンド）[ 102 ]で、温度、運転スタイル、車種によって150～500km （90～310マイル）の航続距離となります。
平均的な内燃機関車と同じ航続距離であっても、購入者は自分の車に対応した充電ステーションが広く利用可能であることを確信する必要がある。[ 103 ]
2024年現在電気船や大型飛行機の航続距離は、内燃機関搭載機よりも短い。すべての船舶を電動化するには、標準化された数メガワットの充電設備が必要となる。[ 104 ]しかし、例えば河川輸送のように、バッテリーを交換できる場合もある。[ 105 ] 2024年現在1000 kmを超える航続距離を持つ純粋な電気大型飛行機は 10年以内には実現しない見込みであり、これは定期便の半分以上で航続距離の同等性を達成できないことを意味する。[ 106 ]
電気自動車（EV）用バッテリーパックの設計は複雑で、メーカーや用途によって大きく異なります。しかし、いずれもパックの基本的な機能を果たすために、いくつかのシンプルな機械的および電気的コンポーネントシステムを組み合わせて構成されています。
実際のバッテリーセルは、パックメーカーによって好みに応じて、化学組成、形状、サイズが異なる場合があります。バッテリーパックは、パック全体の電圧と電流要件を満たすために、直列および並列に接続された多数の個別のセルで構成されます。すべての電気駆動EV用のバッテリーパックには、数百個の個別のセルが含まれる場合があります。各セルの公称電圧は、その化学組成に応じて3～4ボルトです。
製造および組み立てを容易にするため、通常、大きなセルスタックはモジュールと呼ばれるより小さなスタックにグループ化されます。これらのモジュールのいくつかが1つのパックに配置されます。各モジュール内では、電流が流れる電気経路を完成させるためにセルが溶接されます。モジュールには、冷却機構、温度モニター、およびその他のデバイスを組み込むこともできます。モジュールは、最適なパフォーマンスを維持するために特定の温度範囲内に維持する必要があります。[ 107 ]ほとんどの場合、モジュールは、バッテリー管理システム（BMS）を使用してスタック内の各バッテリーセルによって生成される電圧を監視することもできます。[ 108 ]
バッテリーセルスタックには、短絡時にパックの電流を制限するメインヒューズがあります。「サービスプラグ」または「サービスディスコネクト」を取り外すと、バッテリースタックを電気的に絶縁された2つの半分に分割できます。サービスプラグを取り外すと、バッテリーの露出したメイン端子は、サービス技術者にとって高い電気的危険をもたらすことはありません。[ 108 ] [ 109 ]
バッテリーパックには、バッテリーパックの電力を出力端子に分配するリレーまたはコンタクタも含まれています。ほとんどの場合、バッテリーセルスタックをパックのメインの正極および負極出力端子に接続するメインリレーが少なくとも 2 つあり、そこから電気駆動モーターに大電流が供給されます。パックの設計によっては、プリチャージ抵抗器を介して駆動システムをプリチャージしたり、独自の制御リレーを備えた補助バスに電力を供給したりするための代替電流経路が含まれている場合があります。安全上の理由から、これらのリレーはすべて通常開になっています。[ 108 ] [ 109 ]
バッテリーパックには、さまざまな温度、電圧、電流センサーも含まれています。パックセンサーからのデータの収集とパックリレーの作動は、パックのバッテリー監視ユニット（BMU）またはBMSによって行われます。BMSは、バッテリーパック外部の車両との通信も担当します。[ 108 ]
電気自動車（BEV）のバッテリーは定期的に充電する必要があります。BEVは、電力網や太陽光発電などの地域発電設備から自宅で充電するか、充電ステーションを利用して充電します。エネルギーは、石炭、水力、原子力、天然ガス、太陽光発電パネル、風力など、さまざまな資源から生成されます。
急速充電により、公共充電ステーションでの停車時間を最小限に抑えることができるため、走行距離の制限に関する懸念は無意味になります。150 kW 以上の直流電力を持つ電気自動車充電ネットワークが拡大しており[ 111 ]、通常の 30 分の休憩で最大 300 km の走行距離を追加できます。充電速度は、充電ステーションの電力と特定の EV モデルが処理できる最大負荷に依存します。充電状態が 50% を超えると、充電速度は一般的に低下します。一般的な急速充電電力は 30 ～ 80 kW です。[ 110 ]交流を使用する自宅または小型充電ステーションでの充電には、通常数時間かかります。この表は、100 km あたり 15 kWh の標準的な消費を想定しており、ドライバーは 300 km ごとに休憩を取る必要があることを考慮しています。
家庭での充電時間は、特別な電気配線工事を行わない限り、家庭用コンセントの容量によって制限されます。米国、カナダ、日本、その他の120V 電源を使用する国では、通常の家庭用コンセントは1.5キロワットを供給します。230V電源を使用するその他の国では、 7～14キロワット（それぞれ230V単相と400V三相） を供給できます。ヨーロッパでは、 EUの安全規制により新しい住宅に天然ガス接続がないため、400V（三相230V ）の電力網接続がますます普及しています。
適切な電源を使用すれば、バッテリーの寿命は、通常、1時間あたりバッテリー容量の半分を超えない充電速度（「0.5 C」）で良好に維持され、[ 114 ]完全充電には2時間以上かかりますが、大容量バッテリーでもより高速な充電が可能です。[ 115 ]
2019年のGeotabのデータによると、熱への曝露と急速充電の使用は、経年劣化や実際の使用よりもリチウムイオン電池の劣化を促進し、平均的な電気自動車用バッテリーは、6年6か月使用後も初期容量の90%を維持することが示されています。たとえば、同時期のNissan Leafのバッテリーは、 Leafにはバッテリー用のアクティブ冷却システムがなかったため、当時のTeslaのバッテリーの2倍の速さで劣化しました。[ 116 ]さらに、2026年に引用されたGeotabのデータによると、頻繁な急速充電はバッテリーを2倍の速さで劣化させる可能性があり、頻繁に100%まで充電して0%で長時間放置すると、長期的な航続距離に悪影響を与える可能性があります。[ 117 ]
2024年12月にNature Energy誌に掲載された研究は、電気自動車（EV）バッテリーの寿命に関して、科学界と自動車業界の間で大きな議論を巻き起こした。この研究は、EVバッテリーは実際の使用環境では、実験室条件下での従来の推定よりも最大3分の1長く持続する可能性があることを示唆している。この発見は、管理された、しばしばより過酷な条件下で行われる実験室試験が、日常使用におけるバッテリー寿命を正確に予測するという前提に疑問を投げかけるものである。[ 118 ]
充電電源は、2 つの方法で車に接続できます。1 つ目は、導電結合と呼ばれる直接的な電気接続です。これは、高電圧からユーザーを保護するコネクタを備えた特殊な高容量ケーブルを介して、主電源リードを耐候性ソケットに接続するだけの簡単な場合もあります。プラグイン車両充電の最新の標準は、米国ではSAE 1772 導電コネクタ(IEC 62196 タイプ1) です。 [ 119 ] ACEAは、物理的なラッチの代わりに自動ロック機構を備えたVDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 タイプ2) をヨーロッパでの展開用に選択しました。 [ 120 ]
2番目の方法は誘導充電として知られています。特別な「パドル」を車のスロットに挿入します。パドルは変圧器の1つの巻線で、もう1つは車に組み込まれています。パドルを挿入すると、磁気回路が完成し、バッテリーパックに電力が供給されます。1つの誘導充電システムでは、1つの巻線が車の下部に取り付けられ、もう1つはガレージの床に置かれます。誘導方式の利点は、露出した導体がないため感電の危険性がないことですが、インターロック、特殊なコネクタ、地絡検出器により、導電結合もほぼ同様に安全になります。誘導充電は、より多くの充電コンポーネントを車外に移動することで、車両の重量を軽減することもできます。[ 121 ] 1998年にトヨタの誘導充電の支持者は、全体的なコストの差は最小限であると主張しましたが、フォードの導電充電の支持者は、導電充電の方がコスト効率が高いと主張しました。[ 121 ]
2024年6月現在 世界中には20万ヶ所以上の場所と40万ヶ所のEV充電ステーションがある。[ 122 ]
BEVの航続距離は、使用されるバッテリーの数と種類によって決まります。車両の重量と種類、地形、天候、ドライバーのパフォーマンスも、従来の車両の走行距離と同様に影響します。電気自動車の変換性能は、バッテリーの化学組成を含む多くの要因に依存します。リチウムイオンバッテリーを搭載したEVは、1回の充電で320～540 km（200～340マイル）の航続距離を提供します。 [ 123 ]
一部のバッテリーの内部抵抗は低温で著しく増加する可能性があり[ 124 ]、車両の航続距離とバッテリーの寿命に顕著な減少を引き起こす可能性があります。
ACシステムまたは高度なDCシステムでは、回生ブレーキにより、完全な停止をすることなく、極端な交通状況下で航続距離を最大50%延長できます。それ以外の場合、航続距離は市街地走行で約10～25%延長され[ 125 ]、高速道路走行では地形に応じてごくわずかしか延長されません。
電気自動車（バスやトラックを含む）は、必要に応じて発電機付きトレーラーやプッシャー・トレーラーを使用することで、通常の短距離走行時には重量増加を招くことなく、航続距離を延長できます。バッテリー切れのバスケット型トレーラーは、走行中に充電済みのものと交換できます。レンタルの場合は、メンテナンス費用を代理店に負担させることができます。
トレーラーに搭載された補助バッテリーの容量は、車両全体の航続距離を伸ばすことができるが、同時に空気抵抗による出力損失の増加、重量移動効果の増大、牽引力の低下も招く。
充電の代替手段として、消耗した、またはほぼ消耗したバッテリー（またはバッテリーレンジエクステンダーモジュール）を、完全に充電されたバッテリーと交換する方法があります。これはバッテリー交換と呼ばれ、交換ステーションで行われます。[ 126 ]
交換ステーションの特徴は次のとおりです。[ 127 ]
交換ステーションに関する懸念事項は以下のとおりです。
スマートグリッドにより、電気自動車はいつでも電力網に電力を供給できるようになります。特に以下のような場合に有効です。
バッテリー式電気自動車の安全性に関する問題は、主に国際規格ISO 6469によって扱われています。この規格は3つの部分に分かれています。
消防士や救助隊員は、電気自動車やハイブリッド電気自動車の事故で遭遇する高電圧や化学物質に対処するための特別な訓練を受けています。BEVの事故では、バッテリーの急速な放電による火災や煙など、通常とは異なる問題が発生する可能性がありますが、多くの専門家は、BEVのバッテリーは市販の車両や追突事故において安全であり、後部にガソリンタンクがあるガソリン車よりも安全であるという点で意見が一致しています。[ 130 ]
通常、バッテリー性能テストには以下の項目の判定が含まれます。
性能試験では、自動車メーカー（ OEM ）の要求仕様に基づき、バッテリー式電気自動車（BEV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）の駆動系における走行サイクルをシミュレートします。これらの走行サイクル中に、バッテリーの制御された冷却を実行することで、車内の熱環境をシミュレートできます。
さらに、気候チャンバーは試験中の環境条件を制御し、自動車の全温度範囲と気候条件をシミュレートすることを可能にする。[ 35 ]
特許は、電池技術の開発や展開を抑制するために使用されることがあります。たとえば、自動車におけるニッケル水素電池の使用に関連する特許は、石油会社であるシェブロン社の関連会社が保有しており、同社はNiMH技術の販売やライセンス供与に対して拒否権を保持していました。[ 131 ] [ 132 ]
2019年12月現在、バッテリーの改良のために世界中で数十億ユーロの研究投資が計画されている。[ 133 ] [ 134 ]
研究者たちは、非接触型BEV充電器の設計上の考慮事項をいくつか考案しました。誘導結合電力伝送（ICPT）システムは、磁気結合を介して非接触で一次電源（充電ステーション）から1つ以上の二次電源（BEV）に効率的に電力を伝送するように設計されています。[ 135 ]
欧州は電気自動車用バッテリーの開発と生産に多額の投資を計画しており、インドネシアも2023年に電気自動車用バッテリーの生産を目指し、中国のバッテリー企業GEMとContemporary Amperex Technology Ltdをインドネシアへの投資に招いている。[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ]
電気二重層コンデンサ（または「ウルトラキャパシタ」）は、AFS Trinityのコンセプトプロトタイプなどの一部の電気自動車で、高い比出力で迅速に利用可能なエネルギーを蓄え、バッテリーの安全な抵抗発熱制限内に収め、バッテリー寿命を延ばすために使用されています。[ 144 ] [ 145 ]
市販のウルトラキャパシタは比エネルギーが低いため、ウルトラキャパシタのみを使用する量産型電気自動車は存在しない。
2020年1月、テスラのCEOであるイーロン・マスクは、リチウムイオン電池技術の進歩により、電気自動車にウルトラキャパシタは不要になったと述べた。[ 146 ]
2022年5月2日、バイデン大統領は、国内のバッテリー製造とリサイクルを促進するための31億6000万ドルの計画を政権が開始すると発表した。これは、ガソリン車から電気自動車への移行を促進するためのより大きな取り組みの一環である。バイデン政権の目標は、2030年までに米国の自動車生産の半分を電気自動車にすることである。[ 147 ]
2022年8月16日に可決されたインフレ抑制法は、米国製バッテリーを搭載したEVに対する7,500ドルの消費者税額控除とEV工場への補助金によって、クリーンエネルギー製造を奨励することを目的としていた。2022年10月までに、20以上の米国のバッテリー工場に数十億ドルの投資が発表され、一部の評論家は中西部を「バッテリーベルト」と呼ぶようになった。[ 148 ] [ 149 ]
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ウィキブックスの「電気自動車改造技術」の章
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