将来のEVバッテリーの設計：1つのサイズがすべてに適合しなくなった理由

進化するモビリティの習慣と組み合わされたバッテリー化学の急速な進歩は、バッテリーの性能を最適化するための従来のアプローチに挑戦しています。ここでは、超高速充電のパイオニアであるStoreDotのCEOであるDoron Myersdorf博士が、さまざまなドライバーのニーズをサポートするために、バッテリーメーカーが化学レベルでバッテリー性能の多様性を高める新しい方法を見つけなければならない理由を説明し、より幅広いEV業界向けの新しい運転パターン。

StoreDot CEO、ドロン・マイヤーズドルフ博士

電気自動車（EV）業界は急速に進化しており、これがバッテリー開発の分野ほど明白なところはありません。バッテリーケミストリーへの根本的な新しいアプローチにより、テクノロジー開発者は、わずか5分でEVを完全に充電できるなど、5年前でも不可能と考えられていた課題を克服できます。このすべてのハードワークの目標は？ EVの運転体験を最適化し、採用に対する今日の主な障壁である範囲と充電の不安を克服することにより、完全な電気自動車への移行を加速します。ただし、バッテリーの化学的性質自体が進化し続けるにつれて、ライフサイクルパフォーマンスを最適化するための業界の従来のアプローチも進化しなければならないことが明らかになりつつあります。

考え方を変える

バッテリーのライフサイクルパフォーマンスが従来測定されてきた方法を検討することから始めましょう。これは、エネルギー密度、充電速度、および充放電サイクル数という3つの主要なパラメータに基づいています。これらの変数は密接に絡み合っています。つまり、1つを最適化すると、他の変数は劣化します。そのため、バッテリーの最適化は、これら3つのパラメーターの最適な組み合わせを見つけることに大きく依存しています。多くの点で、これはかなり予測可能なプロセスであり、バッテリーを6時間充電すると、約2000サイクルが供給される可能性が高いことがわかります。

しかし、新しいバッテリーの化学的性質の到来は、バッテリー管理システムの高度化と運転習慣の変化とともに、ゲームを変えています。突然、バッテリーの性能はそれほど決定論的ではなくなりました。代わりに、車両の運転方法と充電方法に応じて、時間の経過とともに変化する可能性があります。これは、私たちの考え方も変える必要があることを意味します。事実、静的関数として、以前と同じようにバッテリーのパフォーマンスを最適化し続けることはできません。ドライバーのプロファイルに関連している必要があり、動的である必要があります。

将来のEVドライバーの特定

バッテリー技術の開発者にとって、将来のEVドライバーの習慣を特定する必要性は特に適切です。バッテリー管理システムは、ドライバーのニーズが変化した場合、たとえば、ドライバーが仕事を変えて突然車をより頻繁に使用したり、より長い旅をしたりする場合など、時間の経過とともに特定のパラメーターを変更する柔軟性を提供しますが、バッテリーの化学的性質は固定されています。これが、選択したバッテリーの化学的性質と設計が、ドライバーの予想されるニーズに可能な限り密接に一致するようにすることが非常に重要である理由です。

この認識から、将来のEVドライバーがどのように見えるか、そしてこれが彼らの運転や充電の習慣にどのように影響するかを考えるようになりました。実際には、何百もの異なるドライバープロファイルがありますが、簡単にするために、3つだけに焦点を当てましょう。まず、郊外の母親がいます。母親は主に短い旅行に車を使用し、自宅で一晩車を充電します。スペクトルの反対側には、定期的に長い旅をし、ホテルに一晩滞在することが多いビジネスマンがいます。彼または彼女にとって、頻繁な急速充電は不可欠です。次に、2つの極端な中間に位置するドライバーがいて、車を短距離と長距離の両方の旅に使用しているため、低速と高速の両方の充電が必要です。

これらのストーリーのそれぞれについて、バッテリーの仕様に影響があります。したがって、たとえば、ドライバーが常に高速充電する場合、その特定のドライバーのエネルギー密度とサイクル寿命の間の最良のトレードオフを達成するために、そのタイプの動作に基づいて化学を最適化する方法を検討する必要があります。

進化するモビリティ習慣と組み合わされたバッテリー化学の急速な進歩は、バッテリー性能を最適化するための従来のアプローチに挑戦しています

新しい考え方の実践

ドライバーのニーズに基づいてバッテリーの配合と設計を最適化するために考慮する必要のある多くの化学的および電気化学的考慮事項があります。これには、アノードでのグラファイト、シリコン、および/または他のメタロイドの最適な組み合わせの確立、適切なカソードとアノードの負荷率の決定、およびバッテリーのカットオフ電圧の上限と下限が安全な境界内にとどまるようにすることが含まれます。ただし、私たちが下す各決定は、バッテリーの化学的性質と設計の他の要素に影響を与えるため、設計段階でこれらすべてを考慮する必要があります。

超高速充電（XFC）テクノロジーを開発したとき、克服しなければならなかった重要な課題の1つは、急速充電プロセス中のシリコンの膨張を管理することでした。これは、3D構造で組み合わされたナノ粒子を使用して、アノードの全体的な構造や体積に劇的な影響を与えることなく、粒子が膨張する余地を提供することで実現しました。特定の動作モデルに適合するようにバッテリーを設計する場合、ドライバーにとって最も重要なパラメーターを最適化するための材料の最適な組み合わせだけでなく、各組み合わせがアノードの構造にどのように影響するかを決定する必要があります。したがって、たとえば、XFCと低速充電の両方に最適化されたバッテリーがシリコンを支配する可能性がありますが、急速充電プロセス中のシリコンの膨張を制御するためにナノ粒子を使用する必要があるのはXFCバッテリーのみです。

さらに複雑なことに、アノードの構造は、イオンがカソードからアノードに移動するときにSEI層の一部として使用される電解質および電解質添加剤のタイプによっても影響を受けます。添加剤の選択は、バッテリーがXFC、低速充電、またはその中間のいずれに最適化されているかによって異なるため、これも全体的なアノード設計の一部として考慮する必要があります。

アノードで使用される材料の組み合わせは、バッテリーのカットオフ電圧の上限と下限にも影響を与えるため、これは設計段階で考慮する必要があるもう1つの変数です。同様に、車両の動作モデルがバッテリーセルのカソードとアノードの負荷率（CとAの比率）にどのように影響するかを考慮する必要もあります。正しいC対A比を確立することは、すべての充電および放電サイクルで完全に可逆的な反応があることを保証するために重要です。つまり、すべてのリチウムがカソードとアノードの間で完全に行き来できることを意味します。バッテリーを設計するとき、リチウムの移動のバランスをとるために、カソードまたはアノードのいずれかのサイズを約5％増やすことができます。これは、各オプションが異なる最適化ポイントを提供するためです。急速充電用に最適化されたバッテリーでは、カソードを少し大きくする必要がありますが、低速充電用に最適化されたバッテリーでは、アノードのサイズを大きくすることができます。

EVバッテリーの化学的性質と設計が、ドライバーの予想されるニーズに可能な限り密接に一致していることを確認することが重要です。

ドットを結合する

これらは、将来のEVドライバーの進化するニーズをより適切に満たすためにバッテリー技術を適応させることができる方法のほんの一部です。ただし、より顧客中心のアプローチを採用することの利点は、バッテリーのパフォーマンスを向上させるだけではありません。たとえば、大規模な運転習慣に関するデータを収集することは、必要な充電ポイントの数と種類、つまり、特定の場所ごとに低速充電ポイントと高速充電ポイントのどちらを導入するかを決定する際に、インフラストラクチャプロバイダーにとって非常に貴重です。

これには、データを収集して関連する利害関係者に配布する方法に対する標準化されたアプローチが必要になります。このプロセスは購入時に開始する必要があります。小売業者は、「1〜10のスケールで、急速充電はあなたにとってどれほど重要ですか」などの一連の質問をします。もう1つのアプローチは、Google Driver Analyticsをダウンロードする許可を顧客に求めることです。これにより、ボタンを押すだけで、平均移動時間、距離、運転速度、充電習慣などの重要な情報にアクセスできます。これにより、小売業者は、顧客がライフスタイルに最適な車両を選択できるだけでなく、特定の運転や充電の習慣に基づいて最適なバッテリーの種類を選択できるようになります。

さらに先を見ると、この旅の最後の目的地は、完全にカスタマイズされたバッテリーを標準で提供することです。現在、この目標を達成するにはまだ長い道のりがありますが、必要なビルディングブロックを今すぐ配置することが重要です。ドライバーを運転席にしっかりと乗せることによってのみ、EVバッテリー開発の次の段階のロックを解除することができます。

運転習慣に関するデータを大規模に取得することは、必要な充電ポイントの数と種類を決定する際に、インフラストラクチャプロバイダーにとって非常に貴重であることがわかります。