EV バッテリーの将来をテストする研究所の内部

Apr 18, 2023

ミシガン州アナーバー — ミシガン大学キャンパスにあるこの質素なレンガ造りの建物内では、科学者たちが電気自動車のバッテリーに関するいくつかの最大の問題の解決に焦点を当てており、業界の急成長​​を脅かす前に問題を解決しようとしている。

電池の「メーカースペース」の研究者らは、イーロン・マスク氏のツイートからリチウムイオン電池の発火というもどかしい問題に至るまで、あらゆるものからインスピレーションを得てきた。 ここは、学界とフォード・モーターやメルセデス・ベンツなどの大手自動車メーカーの科学者たちが、大規模生産に売り込む前に最先端の機器を使用して実験的で複雑なバッテリー技術をテストする注目のスポットとなっている。

この小さな研究所は、ほぼすべての電池科学者や技術者が最新技術をテストできる数少ないセンターの1つであり、米国がバイデン政権の攻撃的な雰囲気に到達するかどうかを決定するEV用の先進電池を巡る技術競争で大きな役割を果たしている。目標を達成し、サプライチェーンに対する中国の支配を緩和する。

同研究所所長のグレッグ・レス氏は、「路上を走っているすべての車両を電気自動車に置き換えようとすると、大量のバッテリーが必要になる。自社の技術を車両に搭載するのは理にかなっている」と述べた。 「でも、走る前に歩かなければなりません。」

EVのバッテリーの設計は、EVの普及促進を一部目的とした3,690億ドル規模の法律であるインフレ抑制法の施行により、ビジネス上および政治上の主要な関心事となったが、同法にはバッテリーの鉱物と部品の両方の調達に厳しい要件が含まれている。

現在のほとんどのEVはリチウムイオン電池（ラップトップや携帯電話にも使用されている数十年前の技術）を搭載していますが、学界や自動車会社と関係のある研究者たちは、さらに優れた電池を作る方法を模索しています。 彼らは、容量を増やし、充電時間を短縮し、コストを削減し、環境的および社会的に最も責任のある材料を使用したいと考えています。

ミシガン大学の研究室の場所は間違いではありません。 西海岸の新興企業テスラ社と同社がスピンアウトしたエコシステム以外にも、フォードやゼネラル・モーターズなどデトロイトに本拠を置く自動車会社やメルセデスなどの外国自動車メーカーなど、多くの自動車会社がミシガン州南東部に拠点を置いているとレス氏は語る。ベンツと現代自動車。

大学キャンパスの静かな並木道沿いにひっそりと佇むこの1,000万ドルの研究室は、ジェラルド・フォード大統領の図書館や第38代大統領の生涯と業績を保管する博物館の近くの建物が建ち並んでいる。 この施設は、バッテリーのプロトタイプの設計と製造をより迅速に行うことを目的とした、大学、ミシガン経済開発公社、フォードの協力の成果です。

内部には9,000平方フィートの研究スペースがあり、その中にはレス氏が「巨大パスタプレス」と呼んでいる、長い金属ストリップを加工された鉱物でコーティングする機械が含まれており、この機械は最終的にEVの試験電池に使用される。 近くの「乾燥室」は、リチウムイオン電池セルの組み立てに使用されます。 他の機械は、プロトタイプがどのように電荷を保持および解放するかを測定したり、バッテリーが極端な温度変動にさらされたり損傷したりすることを意味する「乱用テスト」を実施します。 ガラスケースの後ろには、電池を突き刺すために使用されるツールが取り付けられた可動パネルがアイドル状態に置かれています。 研究者が電池に穴を開けたり、火をつけたりして、電池がどのように反応するかを確認するという説明は少ない。

フォードのバッテリーセル研究と先端エンジニアリングを管理するテッド・ミラー氏は、この研究所は自動車メーカーによる技術のテストを支援する上で重要な役割を果たしており、その技術は現在フォードの次世代EVセル技術の定義と同社の規模拡大計画に直接役立っていると述べた。独自の研究開発拠点であるフォード イオン パークにあります。

EV産業が活況を呈する中、自動車メーカーは社内の研究能力を拡大し、ニューヨーク、インディアナ、テキサス、ワシントン州にある同様の研究所のリソースを活用している。

しかしレス氏は、研究施設への需要は依然として利用可能なものを上回っており、インフレ抑制法による資金が定着し、国内のサプライチェーンが実現し、電池の化学と技術がより急速に進化するにつれて、その必要性は高まることが予想されると述べた。

これは増大する需要であり、連邦政府はこれを鋭く認識し、対応に努めています。 エネルギー省が主導し、アルゴンヌ国立研究所が管理する官民コンソーシアムは今年初めに、ミシガン大学の研究所のような共有「パイロットライン」、つまり商用化前の生産ラインの全国ネットワークの創設を求めた。国内の電池産業を強化する。

アルゴンヌエネルギー貯蔵科学共同センター所長のヴェンカット・スリニバサン氏は、「これらの施設は国にとって非常に重要であり、そのネットワークが必要だ」と述べた。 「この種のラボは、イノベーションのリスクを回避する方法であり、自分自身や他の人に対して、魅力的なものを持っていることを証明できます。」

ミラー氏もこれに同意し、「驚くべきことに、EV革命が展開する中、この[研究室]が他の人によって複製され始めているというのは依然として事実である」と述べた。

この大学の研究室の起源は、無数の品質を満たすことができる EV バッテリーを求める競争が急速に激化していることに端を発しています。

基本的にメーカーは、自動車が充電せずに長距離を走行でき、すぐに電源が入るバッテリーを求めています。 しかし、彼らは人権問題を抱える国からの原材料を排除しようとするなど、他の懸念にも目を向けている。これは特定の鉱物を除去するために電池部品の全面的な見直しが必要となる可能性がある措置だ。

最近のツアー中、レス氏は研究室の機器が詰まった迷路のような部屋を歩き回りながら、電池が大きくなるにつれて化学も変化すると説明した。 ほとんどの自動車メーカーは、高価な機器が必要となる可能性がある有益な形式でデータを実証できない限り、データを見ることに興味を持ちません。

それを見つけるのは簡単なリソースではない、と彼は言いました。

「人々はフォードに行って、『おい、我々のすばらしいデータを見てほしい』と言っていた」とレス氏は語った。 「フォードはこう言いました。『そうですね、問題が 2 つあります。私たちは電池を作っているのではなく、電池を買っています。そして、電池を購入している人々にあなたの技術について話そうとしたとしても、あなたが提示している形式は次のようなものです。それは私たちにとって役に立たないので、規模を拡大して、ゴールデンタイムの準備ができたら戻ってきてください」と彼は言いました。

しかし、電池を開発しようとしている人々にとって、「その答えは、『どこにスケールアップすればよいのか分からない』というものだった」とレス氏は言う。

自動車メーカーのバッテリーセル研究と先進エンジニアリングを監督するミラー氏によると、フォードは2012年に同大学との提携を提案したという。

当時、ミラー氏は、フォードには社内に研究所を建設するための資本資金があるが、自社所有の施設では潜在的な電池関連企業、フォード以外の電池メーカー、材料メーカーなどのより大きなエコシステムをサポートするのは難しいのではないかと懸念していたと述べた。 。 そこでフォードは、大学が施設への資金提供と人員配置に同意すれば、同大学の電池実験設備をすべて調達して購入することを申し出た、と同氏は述べた。 2015 年の秋に、研究室は正式にオープンしました。

それ以来、自動車、電池、材料分野の企業がこの研究所の有用性を認識しているとミラー氏は述べた。 同氏は、フォード自身も、新素材を使用した高度なリチウムイオン技術から、リチウムイオンの化学反応を完全に置き換えようとする実験に至るまで、同研究所で多数の大型セルの製造を実施してきたと付け加えた。

現在、この施設は、自分たちのテクノロジーが拡張可能であることを証明しようとしている研究者たちで賑わっています。

「体が小さい人だけが大きくなろうとしているわけではない」とレス氏は語った。 「『来年の量産モデル、あるいは5年後の量産モデルの発売に向けて準備を進めているので、次に何が起こるかを検討し始める必要がある』と言っているのは、小規模な企業や大企業の人々を正当化しようとしている大企業です。私たちの車です。」

フォードの最近の事業は、急速に規模を拡大することの難しさを示している。 同社は新車を迅速に市場に投入するため、中国の技術を活用してミシガン州に35億ドルをかけてEV用バッテリー工場を建設している。 リン酸鉄リチウム（LFP）電池の世界最大メーカーである中国に本拠を置く現代アンペレックス・テクノロジー社は、フォードの次世代マスタング・マッハ-EとF-150ライトニングに使用される電池の技術を提供する。

科学者たちが注力しているプロジェクトの中には、温度変化の影響を受けにくいため、リチウムイオン電池よりも安全だと宣伝されている大々的に宣伝されている技術である全固体電池の開発も含まれる。

現在、レス氏は、リチウムがまったく含まれていない充電式電池を研究している研究者らからの関心を聞いていると述べた。

「ここで人々が何をするかは私たちが指図しません。人々は私たちに仕事の計画を送ってきて、『手伝ってくれませんか？』と言います。 それはイエスかノーだ」とレスは言った。 「私たちや私たちの機器に害を及ぼさない限り、どんなことでも喜んで試してみます。」

急成長するEV業界の多くと同様に、この研究所の研究も、電池の寿命を延ばすのに役立つ電池の正極に使用されるコバルトなど、問題のある材料からの転換に重点を置いている。 世界のコバルトの約70パーセントはコンゴで採掘されており、そこでは残忍な労働条件のパターンが文書化されている。

こうした状況に対する懸念から、ニッケル、マンガン、コバルトを使用するリチウムイオン電池の正極の構成（NMCとして知られる配合）の微調整に焦点を当てた研究が活発化している。

研究者らはニッケルの量を増やし、コバルトを減らす方法を見つけたが、それがライフサイクルの短縮につながり、最終的にはトレードオフを考慮する必要があるとレス氏は述べた。

そしてツイートもあります。

2021年、テスラの最高経営責任者（CEO）イーロン・マスク氏はツイッターで、同社が標準車用のLFPバッテリーに軸足を移していることを明らかにした。

あまり語られていないが、それが研究所でのLFP電池（製造業では中国が独占している）への集中的な集中に直接つながった。

EV業界のLFPバッテリーへの注目は加速している。 テスラに加えて、フォードのよ​​うな企業も、コバルトやニッケルなどの高価で人気の高い材料への依存を軽減する技術としてこの技術を宣伝している。 LFP バッテリーは、リン酸鉄リチウム正極とグラファイト電極で構成されています。 このバッテリーは、低コストで頻繁かつ高速な充電に耐えられる耐久性のあるソリューションとしても見られています。

「それで、リン酸鉄の話に戻ります」とレス氏は言った。 「素晴らしいアイデアだと言わざるを得ません。つまり、鉄はどこにでもあります。リン酸塩、私たちはそれを草の上に捨てるので、それは本当に良い選択です。より安全で、より安価です。リン酸鉄を見ると、出力密度が高くなります」非常に優れた正極材料です。

「それは完全にイーロン・マスクのせいだ」と彼は付け加えた。 「それについては彼の功績を認めます。」