このストーリーはもともと Yale e360 に掲載されたものです。 ここをお読みください。

エンジニアのMartin EberhardからXNUMX年が経ちました 発表 サンタモニカ空港の格納庫で、大勢の投資家、ジャーナリスト、潜在的な購入者の前で、彼の未来的なカスタム デザインのスポーツ カーを見せました。 ロードスターと呼ばれたこの車には、多くの革新的な技術が盛り込まれていましたが、リア コンパートメントに詰め込まれた 6,831 個のリチウム イオン バッテリー セルほど重要なものはありませんでした。 「バッテリーシステムが秘密です」とエバーハルト 説明 当時、「0秒間の60-XNUMX mph加速の背後にある」。

Eberhard と彼の共同研究者である Marc Tarpenning は、新しい電気自動車会社を Nikola Tesla にちなんで命名し、2008 年後の XNUMX 年に、Tesla は自動車市場に出回る最初の商業生産されたリチウム イオン駆動車になりました。 リチウム イオン (Li-ion) は、大人気のプリウスを含むほとんどのハイブリッド車や電気自動車に電力を供給していたニッケル水素 (Ni-MH) バッテリーからの大きな進歩でした。 リチウムの優れたエネルギー密度は、リチウムイオン電池がニッケル水素電池よりも XNUMX キログラムあたり XNUMX 分の XNUMX 多いワット時を蓄えることができることを意味します。

しかし、リチウム電池にはまだ重大な欠点があります。 リチウムだけでなく、コバルト、銅、グラファイト、ニッケルなどの輸入された重要な鉱物に依存しています。これらの鉱物は、山にハッキングするか、希少な砂漠の地下水を池に汲み上げ、水が蒸発して鉱物を残すのを待ちます。 コンゴ民主共和国は、世界のコバルトの 70% 以上を生産しています。 児童労働の搾取 安全でない労働条件の下で。 他の鉱物は、米国が経済関係を緩和することを望んでいる国から来ています。たとえば、減少している世界のニッケル貯蔵量の 20% を提供するロシアや、EV バッテリーに使用される黒鉛のほぼすべてを国際的に供給している中国などです。

2029 年までに、鉱物の 80% を米国またはその同盟国で調達した EV のみが完全な税額控除の対象となります。

「許容できないと定義されている場所に行かない限り、鉱物を入手できるとは限りません」と、輸送手段を化石燃料から遠ざける活動をしている非営利団体、Electrification Coalition のエグゼクティブ ディレクターである Ben Prochazka 氏は言います。 近いうちに、特定の鉱物をまったく入手できなくなる可能性があります。たとえば、中国は、独自の驚異的なバッテリー産業のためにグラファイトを保持すると脅迫しています。 市場アナリストは、リチウムの世界的な需要が 2030 年までに供給を超えると予測しています。

州および連邦政府の命令とインセンティブにより、自動車会社は車両の中でバッテリー駆動の車両を優先するようになり、不安定なガソリン価格により、より多くの消費者がゼロエミッションの輸送手段に向かうようになり、自動車メーカーとバッテリー会社はまさにそれを実行しようと急いでいます。 彼らは、コストを削減し、エネルギー密度を上げて、バッテリーを製造するさまざまな方法の開発に取り組んでいます。これは、非常に重要な長距離走行距離につながります。

いわゆる紛争鉱物を国産鉱物に置き換えるバッテリーは、研究開発を超えてテスト段階に進んでいます。 ニッケル、マンガン、アルミニウムを優先してコバルトを削減するバッテリーは、すでに商業生産されています。 いくつかの企業は、潜在的に可燃性の液体を使用しない全固体電池に取り組んでおり、米国では電池製造専用のギガファクトリーの計画が数多くあります。

2022 年インフレ削減法 (IRA) と 2021 年インフラ投資および雇用法という 7,500 つの新しい連邦法が可決されたことで、業界は前進することが期待されています。 米国は、2009 年末以降、ほとんどの新しい EV の購入者に 2023 ドルの税額控除を提供しています。 しかし、2029 年から、IRA はその税額控除を、重要な鉱物の調達とバッテリーの製造に関する特定の要件に結び付けます。 80 年までに、鉱物の 100% を米国またはその同盟国で調達し、部品を XNUMX% 北米で製造または組み立てた EV のみが、 資格を得る 完全なクレジットのために。

まとめると、これらの法案は、電気自動車のバッテリー業界を変革し、イノベーションを促進するものです。これは、2010 年代にテスラが 465 億 2025 万ドルの連邦融資を確保して Modern S セダンの開発を完了し、工場を開設したときに、アメリカの復興および再投資法が行ったのと同じです。カリフォルニア州フリーモントにて。 コバルトとニッケルが入手困難な場合は、「コバルトの使用量を減らすか、まったく使用しないバッテリーを作ろう。 または、ニッケルの使用量が少ないバッテリーを作ろう。」 先月、ネバダ州に本拠を置くパナソニック エナジーは、XNUMX 年に中国でリサイクルされたニッケルから EV バッテリーの製造を開始すると発表しました。その状態。

GM の EV およびエネルギー政策担当シニア ストラテジストである Michael Maten 氏は、議会が行動を起こすかどうかに関係なく、変更は行われると述べています。 2021 年、GM の CEO である Mary Barra が 100 年までに 2035% 電動化することを約束したとき、Maten 氏は次のように述べています。サプライチェーンをよく見て、「そのサプライチェーンが持続可能であることを確認するために、そのサプライチェーンのオンショアまたはニアショアに対して協調的な取り組み」を行っています。 現在、彼は「ほぼ毎月、重要な鉱物を確保するために別のパートナーを雇っています」と述べています。

当社のバッテリー セルはフレンチ ディップと考えることができます。 電解質は全体に浸透します。

失敗は許されない、とマテンは言う。 「私たちは、内燃機関に基づく 100 年の歴史を持つビジネスを、オール EV ビジネスに変革しています。 私たちは、あと100年は確実に生きていきたいと思っています。」

ビデオ通話で、サンノゼに本拠を置く電池用複合材料の製造を専門とする会社、Lyten の分析担当ディレクターである George Liddle は、端を外側に向けた紙を持ち上げています。 「それは 3 次元グラフェンです」と彼は言います。これは構造的に平らに置かれたサッカー ネットに似ていますが、「ナノ フォームのみ」です。 次に、リドルは紙をくしゃくしゃにしてボールにします。 「これを行うと、平らなバージョンよりも、電気的および化学的に 1,000 倍反応性の高い XNUMXD グラフェンになります」。

Lyten は、油田から廃メタンを収集し、それを不活性炭素に変換し、地下深くに隔離するという商業的な試みとして始まりました。 「そのために経済学がまったく機能しないことが判明しました」とリドルは私に言います。 ある研究者が、その炭素に由来するグラフェンが新しい種類のバッテリー内のリチウムと硫黄の間の緩衝材として使用できることを発見したとき、同社はバッテリーに軸足を移しました。

「硫黄は、ニッケル、マンガン、またはコバルトの約 XNUMX 倍の潜在的なエネルギー貯蔵能力を持っています」とリドル氏は言います。 石油採掘者はそれをトン単位で提供します。 商業用途でリチウム硫黄電池を作った人は誰もいないこと 試み) は、それがいかに難しいかを物語っています。 バッテリー内のセルが充電されてから放電されると、リチウムは硫黄と結合し、リチウム イオンとして放出されます。 各サイクルで、リチウムも硫黄も使用可能な形にならなくなるまで、化合物は一連の複雑な化学変換を経ます。 「バッテリーは約 100 回サイクルしてから死にます」とリドルは説明します。

リドルは、グラフェンの代役である丸めた紙のスペースに、硫黄という物質を挿入することを模倣しています。 「硫黄をグラフェンのナノ隙間の奥深くに埋め込むと、リチウム硫黄がリチウムと硫黄に強制的に変換されることがわかりました」と彼は言います。 グラフェンは XNUMX つの化学物質を分割するので、硫黄原子とリチウム イオンがバッテリーを破壊することはありません。

電池セルはサンドイッチと考えることができます。正に帯電したカソードと負に帯電したアノードが電解質を取り囲み、一方の側から他方の側にイオンを渡します。 電解質はほとんどの場合、粘性有機溶媒です。 Lyten のバッテリーのセルには、これらすべてのコンポーネントがありますが、構造が少し異なります。 「私たちのバッテリー セルはフレンチ ディップと考えることができます」とリドルは言います。 「電解質は全体に浸透します。」

Ford と Mercedes-Benz は、バッテリー メーカーと提携してソリッド ステート技術を研究しています。

対照的に、全固体電池は電解質をまったく使用せず、同じ機能を果たしながら有機溶媒の可燃性リスクのないポリマーまたはセラミックと交換します。 ガソリン車は、リチウムイオン電池を搭載した EV よりも頻繁に発火します。 しかし、リチウムイオン電池は、「熱暴走」として知られる現象に対して独特の脆弱性を持っています。この現象では、燃焼中のセルが、生成するよりも速く熱を放散することができません。 ハリケーン イアンの高潮に続いて塩水に浸かったテスラ車が火災に見舞われた後、フロリダの消防士が学んだように、化学薬品による火災を消すには、ガソリン車の火災を消火するのに必要な最大 40 倍もの大量の水が必要です。

Ford や Mercedes-Benz など、一部の自動車メーカーは、バッテリー メーカーと提携してソリッド ステート技術を研究しています。 マサチューセッツ州メシューエンに新工場を開設しようとしている Factorial Energy は、2028 年から 2030 年の間に固体 EV バッテリーを展開する予定です。

ほとんどのバッテリーは正当な理由で液体電解質を使用していると、National Renewable Energy Laboratories のチーフ エネルギー ストレージ エンジニアである Ahmad Pesaran 氏は説明します。 アノードとカソードの間の接触を維持するために、流体はすべての空きスペースに流れ込むことができます。 しかし、固体電解質が機能するためには、「互いに融合できる非常に優れた表面が必要です」とペサランは言います。 材料はまた、割れずに圧力に耐える必要があります。これは、一部のソリッドステート アプリケーションで使用されるもろいセラミックスにとって難しい注文です。

実際、電池の研究者は、固体技術を完成させるよりも、シリコン アノードの商品化に成功する可能性が高いと、一部の専門家は言います。 シリコンは、リチウム イオン電池で通常使用されるグラファイトの XNUMX 倍のエネルギー密度を持つ可能性があり、はるかに広く入手できます。 （シリコンの原料は砂です。）シリコンアノード電池は、 利用できます わずか数年で。 主な課題は、充電および放電時にシリコンが膨張する傾向にあることです。 米国エネルギー省の技術開発マネージャーである Brian Cunningham は次のように述べています。バッテリーが商用車に必要な充放電サイクルに耐えられる可能性は低いです。 「私たちは、そのストレスと緊張を軽減するソリューションを設計しています」と彼は言います。

GM のマテン氏は、最先端の技術について議論するよりも良いアイデアは、どの材料が最小のコストで最大のエネルギーを蓄え、ニッケルのためにインドネシアの沿岸の村を破壊したり、独裁政権に頼ったりすることなく入手できるかを単純に調べることだと述べています。 リチウムイオン電池の価格は不安定ですが、現時点ではどこかの価格です キロワット時あたり$ 150. ガソリンエンジンと同等のコストを実現するには、その価格を少なくとも 100 ドル/キロワット時まで下げる必要がありますが、一部の自動車メーカーは 60 キロワット時当たり XNUMX ドルを目指しています。 そこにたどり着く方法はたくさんありますが、それがいつ起こるかは誰にもわかりません。 「これらはすべてまだ研究室の設定です」と Maten 氏は言います。

米国の全ニッケル埋蔵量の 97% は、ネイティブ アメリカンのコミュニティから 35 マイル以内にあります。

現実の世界では、車両を購入する人々がバッテリー技術の成功の最終決定者になるだろう、と DOE の Cunningham は言います。 重要なのは、航続距離と加速に対するドライバーの期待を上回るバッテリーを作成することですが、その代償として、電気とガソリンのどちらを動力とするかの議論は成り立たなくなります。 「ある時点で、バッテリー式電気自動車が従来の自動車よりも安価になるこの交差点に到達するでしょう」と彼は言います。 彼は、私たちがどのようにそこにたどり着くか、つまりソリッドステート、シリコン、またはその他の革新的なバッテリー設計にはあまり関心がありません. 米国エネルギー省は「化学にとらわれない」と彼は指摘します。

2.8 月、DOE は、米国で重要な鉱物の生産と処理を強化するために取り組んでいる 20 社の企業に対して、40 億ドルの助成金を発表しました。 DOE のローン プログラム オフィスのディレクターであるジガー シャー氏は、研究者や製造業者を対象としたビデオで、IRA が先進車両製造プログラムをサポートするために同機関のローン機関に 12 億ドルを追加したと述べました。 「このプログラムの目標は、この国で脱炭素化を進める中で、自動車部門のサプライチェーンをオンショアおよびリショアすることです」と彼は言いました。 XNUMX 月 XNUMX 日、DOE は 2.5億ドルのローン 米国の XNUMX つの施設で低コバルト電池を生産する GM と LG エナジー ソリューションの合弁事業である Ultium Cells に。

米国とその同盟国内に電気自動車のサプライ チェーンを構築するだけでは、少なくとも生態学的および公衆衛生の観点からは持続可能ではないことに注意することが重要です。 チリは技術的には米国に友好的な国ですが、アタカマ砂漠でリチウム採掘を行っています 地下水を脅かす 地域社会や野生生物が依存しているラグーンを排水します。 米国の全ニッケル埋蔵量の 35% は、ネイティブ アメリカン コミュニティから 89 マイル以内にあり、銅埋蔵量の XNUMX% も同様です。

南カリフォルニアのインペリアル バレーでは、すでに 11 の地熱発電所に汲み上げられている塩水からのリチウム抽出が、苦労している農業コミュニティに経済的恩恵をもたらす可能性があると予告されていますが、環境正義の擁護者は潜在的な悪影響について懸念しています。 人口 179,000 人のインペリアル バレーは、85 パーセント以上がラテン系であり、農地からの農薬の飛散や死にかけているソルトン海からの浮遊粒子状物質の健康への影響に長い間苦しんできました。 公衆衛生に対するリチウム採掘の影響はまだ調査されていません。

カリフォルニア州エネルギー委員会は、インペリアル バレー プロジェクトと呼ばれる「リチウム バレー」が世界のリチウム需要の 40% を供給できると推定しており、資源の開発に既に 16.5 万ドルを投資しています。 これは、リチウム生産が何があっても前進する可能性が高いことを意味します。 イーロン・マスクが好んで言っているように、リチウムは確かに新しい石油です。

欠点が何であれ、リチウムの入手は、どこで見つかったとしても、おそらく減速することはありません。 ガソリン エンジンやディーゼル エンジンへの依存は、気候や肺に害を及ぼすだけでなく、国家安全保障上の重大なリスクでもあると、Electrification Coalition の Prochazka 氏は述べています。 「私たちは、私たちの理想を共有しない国に、年間ベースで数十億ドルを輸出し続けています」と彼は指摘します。 電池技術はあらゆる意味で良性とは言えないかもしれませんが、石油の入手先よりも「電子を生成する方法をはるかに細かく制御できます」。 「輸送の未来は電化です」と彼は言います。 その議論は終わった。」

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• 情報源： https://www.greenbiz.com/article/us-companies-race-new-ev-battery