世界中の道路で電気自動車がガソリン車に完全に取って代わるには、まったく新しいタイプのバッテリーが必要になります。 リチウムイオン電池のエネルギー密度と寿命は過去 10 年間で着実に向上していますが、新しい電気自動車の電池は、ほぼすべての性能指標で内燃エンジンに遅れをとっています。 ほとんどの EV の航続距離は 300 マイル未満で、バッテリー パックの充電には 1 時間以上かかり、電池は 10 年以内に容量の約 3 分の 1 を失い、可燃性材料であるため深刻な安全リスクを引き起こします。 それは、固体電池と呼ばれ、驚くほどシンプルなアイデアに基づいています。 従来の液体電解質 (電極間でリチウムイオンを移動させる物質) の代わりに、固体の電解質を使用します。 また、負極と呼ばれる電池のマイナス端子には、純粋なリチウム金属を使用する。 この組み合わせにより、エネルギー密度が飛躍的に向上し、超高速充電が可能になり、電池の発火の心配もなくなる。 しかし、過去40年間、誰もこの約束を果たす固体電池を作ることができなかった。今年初め、QuantumScapeという秘密主義の新興企業が、この問題を解決したと主張するまでだ。
火曜日、QuantumScape の共同創設者兼 CEO の Jagdeep Singh は、初めて、同社のソリッドステート バッテリーのテスト結果を公にしました。 シン氏によれば、この電池は、信じられないほど短い寿命や遅い充電速度など、これまで固体電池を悩ませてきた中核的な課題をすべて解決しているとのことです。 QuantumScape社のデータによると、同社のセルは15分で容量の80％まで充電でき、800回の充電サイクルの後でも容量の80％以上を維持し、不燃性で、セルレベルで1リットル当たり1000ワット時以上の体積エネルギー密度を持ち、これは最上位の商用リチウムイオン電池のエネルギー密度のほぼ2倍に相当します。
「私たちはソリッドステートを解決した最初の人間だと考えています」と、シン氏は発表に先立ちWIRED誌に語っています。 「他のソリッドステート・システムはこれに近づいていません」
QuantumScape のバッテリーセルは、トランプ程度の大きさと厚さです。 正極はニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）でできており、今日のEVバッテリーによく使われている化学物質です。 負極は純リチウム金属ですが、製造上、負極がないのが正確なところです。 使用中に電池が放電すると、リチウムはすべて負極から正極に流れます。 このとき、負極側に残された髪の毛よりも細い空孔は、一時的にアコーディオンのように圧縮される。 このプロセスは、電池が充電されると逆転し、リチウムイオンが再び陽極の空間に流れ込みます。
カーネギーメロン大学でリチウム金属電池を研究する機械エンジニアで、QuantumScape の技術アドバイザーの Venkat Viswanathan は、「現在の製造施設では、リチウム金属電池を製造できる唯一の方法でしょう」と述べています。 「アノードフリーは、コミュニティにとって大きな挑戦でした」
しかし、QuantumScape の固体ブレークスルーの鍵は、正極と負極の間にある柔軟なセラミック セパレーターにあります。 これは、ソリッドステートに「固体」を入れるための材料です。 従来の電池の電極間にある液体電解質と同様に、電池の充放電時に一方の端子からもう一方の端子へリチウムイオンを渡すのが主な役割だ。 しかし、固体セパレータは、充電サイクル中にリチウム金属アノード上に形成される金属片であるリチウムデンドライトが、電極間に入り込んでショートを起こさないようにするバリアとしての役割も果たしている。
Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science のディレクター、Venkat Srinivasan 氏は、シカゴ郊外の国立研究所で固体電池の研究に 10 年近くを費やしています。 彼は、デンドライトをブロックしながら電極間でリチウムイオンが自由に流れるようにするセパレータ材料を見つけることが、はるかに大きな課題であったと述べています。 一般に、研究者はプラスチックのようなポリマーか、硬いセラミックを使ってきた。 ポリマーは液体電解質電池のセパレータ材料として選ばれているが、デンドライトをブロックできないため、固体電池には不適当である。 また、固体電池の実験に使用されたほとんどのセラミックはもろく、数十回の充電サイクルしか持ちません。
「これらのデンドライトは木の根のようなものです」と、QuantumScapeの研究には参加していないSrinivasanは言います。 「私たちが解決しようとしている問題は、この根系が成長するのを、何か固いもので機械的に止めるにはどうしたらよいか、ということです。 イオンを送り込まなければならないので、何でも好きなものを入れればいいというわけではありません。 もしそうしなければ、バッテリーは存在しません」
リチウムイオン電池は複雑なシステムであり、長年にわたる地道な改善の理由は、電池のある部分を微調整すると、その性能が予期しない方法で変化する連鎖効果がしばしば起こるためです。 よりよい電池を作るには、研究者は、うまくいくものを見つけるまで系統的にさまざまな材料を調査しなければならない。 シン氏によると、QuantumScape社は、その条件に合う固体セパレータにたどり着くまでに、10年の歳月と3億ドルの研究開発を要したそうです。 しかし、その材料は安価で入手しやすいという。 この材料は使えるから、作ってみろ』という神の啓示を受けたわけではありません」とシンは言う。 「何度も行き詰まりを経験しました。 しかし、自然は要件を満たす材料を提供し、幸運にも、私たちの体系的な探索プロセスを通じて、それを見つけることができました」
Singh氏は、QuantumScapeのバッテリーは、EVを主流に押し上げるような性能の変化であると述べています。 そう考えているのは、彼だけではありません。 同社には、ビル・ゲイツやヴィノッド・コスラも出資しており、テスラの共同創業者であるJ・B・ストローベルなど、電池業界の大物も取締役に名を連ねている。 同社は QuantumScape に 3 億ドル以上を出資し、早ければ 2025 年に自社の EV の一部で固体電池を使い始める予定です。 トヨタも固体電池を開発しており、同社の関係者は、パンデミックのために延期される前は、今年の東京オリンピックで発表する予定でした。 VWと同様、トヨタも2025年までに固体電池を実用化する計画だ。 しかし今年初め、トヨタのパワートレイン部門担当副社長である開田啓二氏は、業界誌『オートモーティブ・ニュース』に対し、電池の寿命が限られていることをまだ改善する必要があると述べている。 トヨタの代表者は、WIREDのコメント要請に応じなかった。
ソリッドパワーという6年前のスタートアップも、機能する固体電池を作り、コロラド州のパイロット工場で10層積層した試作電池の生産を開始した。 QuantumScape と同様に、これらの電池は、リチウム金属陽極とセラミック固体電解質を備えています。 ソリッドパワーの電解質は硫化物系で、高い導電性と既存の製造プロセスとの互換性から、固体電池に望ましい化学物質である。 同社はフォード、BMW、現代自動車など多くの自動車メーカーとパートナーシップを結んでいるが、同社の幹部は、自動車の認定プロセスに時間がかかるため、同社の電池が2026年までに道路で見られるようになるとは考えていない。 Solid Power はまだそのセルのデータを公開していませんが、同社は今週木曜日に、より大きなセルを発表し、その性能データを初めて公開する予定です。
Solid Power の CEO である Doug Campbell 氏は、「自動車の電動化を可能にする固体電池の大きな可能性により、固体電池競争の状況はますます混雑してきている」と述べています。 「これは最終的に、航続距離が長く、信頼性が高く、コストの低いEVにつながります」
QuantumScape の性能データは印象的ですが、それには重要な注意事項が伴います。 すべてのテスト データは、技術的に言えば、完全な電池ではない個々のセルで生成されたものです。 QuantumScape社が発表した薄型セルは、他の約100個のセルと積み重ねられ、トランプの山ほどの大きさのフルセルを形成する運命にある。 EV に電力を供給するには、そのような積層型電池を何百個も必要としますが、今のところ、同社は完全な積層型電池をテストしていません。
単一セルのサブユニットからフルセル、最終的には完全なバッテリーパックへと電池を拡張することは、多くの問題を引き起こすと、Srinivasan は言います。 電池を小ロットで製造する場合、製造プロセスで発生する欠陥を排除することが容易であると、彼は言います。 しかし、ひとたび大規模な電池の製造を始めると、欠陥のコントロールが難しくなり、電池の性能が急速に低下する可能性があるのです。 「小さなスケールでは有望な材料でも、スケールアップすると欠陥が大きな問題になります」とSrinivasanは言う。 「実世界での運用は、研究室規模での運用とは非常に異なります」
Jeff Sakamoto 氏（ミシガン大学でエネルギー貯蔵に焦点を当てた機械エンジニア、QuantumScape には関与していない）も同意します。 彼は、リチウム金属固体電池の基本的な機械的特性については、まだ大きな知識のギャップがあり、この技術を商業化する際に問題を引き起こす可能性があると述べています。 世界初の民間旅客機、不運なデ・ハビランド・コメットを例に、材料特性が完全に理解される前に技術を投入した場合の結果を指摘する。 コメット号は、機体に使用されている金属の劣化を十分に理解していなかったため、飛行開始後間もなく、何度も空中分解を起こすという大惨事に見舞われた。 電池は結局のところ、超安全に設計されています。市場に投入された電池が予想外の性能問題を起こした場合、輸送手段の電化が遅れる可能性があります。 「これらの知識のギャップが、リチウム金属固体電池の普及にどの程度影響するかはわかりません。 しかし、基本的な挙動について知れば知るほど、大規模な採用への移行がうまくいきます」
Singh は、その電池が研究室を出て自動車に乗るまでに QuantumScape が取り組むべき課題にも動じません。 彼に関する限り、同社は、固体電池の商業化を阻んできた難しい基礎科学の問題を解決しています。 「まだ残っている課題を矮小化したいわけではありません。 「しかし、これがうまくいくかどうかという問題ではありません。 696>
今年初め、QuantumScapeは特別買収会社を通じて株式を公開し、すでにかなりの規模になっていたバランスシートに約7億ドルを追加しました。 シン氏によれば、同社の軍資金は現在10億ドル以上あり、これは生産に移行するには十分すぎる額だという。 A123システムズとエンビア・システムズは、画期的なEV用電池を開発するとして自動車メーカーから巨額の資金を集めたが、電池の性能が期待にそぐわずに破たんした会社である。 QuantumScapeは、商用ソリッドステートバッテリーを提供する最初のスタートアップになる可能性は非常に高いが、同社にはまだ長い道のりが待っている。 ニュースレターに登録しよう！