リチウムイオン電池市場調査
エグゼクティブサマリー
自動車業界が従来のガソリン車から、より燃費が良く環境に配慮した輸送手段へと移行する中で、避けられない変化が起こっています。現在、ハイブリッド車や電気自動車が世界市場に進出していますが、その歩みは遅く、障害も数多くあります。今のところ、これらの車はメーカーにそれほど利益をもたらしていませんが、バッテリー技術が進歩するにつれて、状況は確実に変わります。問題は、それがどのくらいの時間がかかるかということです。
近年、リチウムイオン電池の使用が増加しています。電池市場は2019年までに1兆4,330億、2023年までに1兆4,260億を超えると予想されています。今後数年間はポーチ型電池が急増し、LG Chemなどの企業は高温に耐えられる包装材料を開発しており、近い将来に400kWhの電力密度を実現すると予想されています。まったく新しい燃料源が開発されている一方で、リチウムイオンは今後5～10年間は引き続き好まれる技術です。製造コストもこの期間に301兆3,000億も下がり続けるでしょう。現在のイノベーションは2020年までに採用される可能性が高いですが、より大きなブレークスルーは2025年以降まで期待されていません。
テスラの成功とネバダ州での新しいギガファクトリーの発表は、業界に大きな興奮をもたらしました。バッテリーの大量生産により、さらなるコスト削減とハイブリッドおよびEVの航続距離の加速的な改善が可能になります。潜在的なオーナーは、車両の充電の間に遠くまで移動できないことや、便利に利用できる充電施設があまりないことを恐れて購入を思いとどまっており、航続距離の不安はメーカーにとって依然として大きな問題です。
アウディとポルシェが製造するテスラの円筒形セルバッテリーは、円筒形の開発がかなり有望であるように思われるため、生産量が増加するでしょう。さらに、NTAカソードは高密度であることが証明され、容量が増加し続けているため、生産量も増加するでしょう。シリコンアノードは、人気が高まるにつれて、将来的に市場を独占する可能性が最も高いでしょう。
水素燃料電池技術は急速に進歩していますが、2020 年以降まで市場に大きな影響を与えるとは予想されていません。その間、リチウムイオン電池は普及し続けるでしょう。その過程で、その容量は年間 5% の割合で向上し、電力とエネルギー密度も向上し続けると予想されます。業界全体で、より優れた、より効率的な電池源の研究開発が行われていますが、少なくとも 5 ～ 7 年は実装されません。
最近の世界的な原油価格の暴落は、ハイブリッド車やEV車の市場進出に特に悪影響を及ぼしています。ドライバーはガソリン代をあまり気にしなくなり（特に米国）、従来のガソリン車を購入する傾向が強まっています。ほとんどのドライバーは、原油価格が再び上昇し、ドライバーが再びハイブリッド車やEV車を検討するようになると考えています。その間、自動車メーカーは原油価格の動向を心配しながら何が起きるかを見守っており、バッテリー開発者は必要なときに利用できるように開発に取り組んでいます。
ハイブリッド/EV 販売の妨げとなっているもう 1 つの大きな障害は、充電ステーションの重要なインフラが不足していることです。現在、充電ステーションは海岸沿いに集中しており、数も少なく、ドライバーは必要なときに簡単に充電できない電気自動車の購入をためらっています。もちろん、これは必要に迫られて徐々に変化していきます。問題は、どのくらいの速さで変化するかです。ワイヤレス充電の登場により、充電時間が短縮され、ドライバーが車両購入に関して環境に配慮した決定を下しやすくなります。最終的には、ハイブリッド/EV の需要が増加し、特にヨーロッパと中国で顕著になります。需要が増加すると、リチウムイオン バッテリーの需要も増加します。
つい最近まで、プラグインが2020年までに市場の30%を占めると多くの人が予測していましたが、原油価格の低下により、その期待は縮小しました。今日、大規模なバッテリー生産と開発を誰が主導するのか、そして製造が地理的に集中する場所はどこなのかに多くの関心が集まっています。多くの米国の潜在的な場所は有毒金属に関する厳しい環境規制によって妨げられているため、中国は「バッテリーパック」を主導する良い候補のようです。韓国と日本も競争力を示しており、主要なプレーヤーとして浮上することは間違いありません。国際市場でハイブリッド/EVが大幅に進歩する目標日としては、2025年がより現実的になりつつあります。
2030 年が近づくにつれ、リチウム空気を含む新製品の開発機会が増えるでしょう。バッテリーのコストは変わらないものの、エネルギー密度は 2 倍になり、出力は変わりません。リチウムポリマーは大きな可能性を秘めていますが、リチウム金属アノードが完成しない限り実現しません。この技術には火災の危険性があり、これを解決する必要があります。
画期的な進歩が間近に迫っていますが、まだ研究開発段階です。水素燃料電池技術は、すでにいくつかの実用化が進んでおり、実現に最も近い技術かもしれません。さらに先には、グラフェン/カーボンナノチューブ、アルミニウム空気、亜鉛空気などの高度な技術が開発中であり、いずれも実現可能なアイデアです。
ミシガン州の新興企業 SAKTI3 は、コスト 5 分の 1 でリチウムイオンの 2 倍のエネルギー密度を実現するバッテリーを開発している。この技術は、環境に優しい車に乗り換えるために必要な価格と走行距離を顧客に提供するものなのだろうか? Sakti3 は、日本の実業家、伊藤忠、Khosla Ventures、ゼネラルモーターズ、ミシガン州などの支援者から $30M の研究資金を集めている。
リチウムイオン電池技術のもう一つの有望な側面は、EOL (寿命終了) の再利用です。ハイブリッド車や電気自動車への電力供給という当初の目的を終えた後も、リチウムイオン電池は病院、ビル、グリッド アプリケーションへの電力供給など、他の目的に使用できます。電池の 2 度目の寿命では、さらに 10 年間使用でき、その後リサイクルできます。その後、一部を他の用途に再利用できます。この目的のために、リチウムイオン電池の寿命を延ばすために、政府に 2 度目の寿命規定を義務付けるよう求める人もいます。
2020 年に向けて、リチウムイオン電池の開発の主な原動力は、EV/PHV 産業の成長を支援する政府のインセンティブと、中東、ヨーロッパ、米国、アジアからの環境圧力です。さらに、成長は、環境に優しい自動車の所有に関心のある Gen-Y 購入者によってもたらされます。ガソリン エンジン、ディーゼル エンジン、トランスミッションの軽量化や効率向上などの従来のアプリケーションは、燃費要件を満たすのに貢献できますが、2020 年の政府規制を満たすには不十分です。
ハイブリッド/EV 開発の障害が何であれ、将来はよりエネルギー効率が高く環境に配慮した車両が求められるため、それらは間違いなく克服されるでしょう。可能な限り最高のバッテリーを求める世界的な取り組みは続いており、劇的な進歩が間もなく実現します。急速に進化する自動車市場の需要を満たすために優秀なバッテリー設計者が競い合う中、進歩は急速に進んでいます。
導入
ハイブリッド車や完全電気自動車が世界の道路で完全に普及するまでには至っていませんが、従来のガソリン車からより燃費が良く環境に配慮した輸送手段へと移行する中で、避けられない変化が起こっています。この変化が起こると、このような劇的な変革を促進するために適用可能な技術を見つける必要性から、革新と急速な変化が起こります。
長年、鉛蓄電池は、自給自足型電源を必要とする自動車や機器のエネルギー源でした。今日、リチウムイオン電池が登場しました。容易に入手可能な原材料、つまり人類が知る最も軽い金属で駆動するリチウムは、電池ビジネスに革命をもたらし、今後もその勢いが衰える気配はありません。
リチウムイオン電池市場は、少なくとも 2020 年までは安定した成長機会を提供し続けると予想されています。このような成長を牽引するエンド ユーザーは、自動車メーカー、工業製品メーカー、消費者向けデバイス ベンダー、電力網、再生可能エネルギー貯蔵セグメントです。ハイブリッド車や電気自動車への移行は、リチウムイオン電池の開発の到来を加速させるだけです。メーカーは、既存の技術を常に改善し、より軽量で効率的で、充電間隔を長くして車両を走行できる電池の開発に努めています。画期的な進歩が絶えず起こっており、ビジネス、消費者、環境のニーズを満たす方法で真に機能する電池で満たされた未来が約束されています。
輸送以外にも、リチウムイオンには多くの分野で利益の出る市場があります。最も注目すべきは、医療業界、世界の製造業、軍事用途です。さらに、地球は電池で動く惑星であり、未来に向けて動き続け、回転し続けるためにエネルギーを必要としています。
常に変化するバッテリー開発市場を切り抜けるのは困難ですが、投資家や新興企業は、青信号が灯っていることを認識しており、規制された市場がグリーンエネルギー源と燃料効率の向上に対応できる状態にあると見て、大胆に前進してこのビジネスに参入しようとしています。この市場を取り巻く複雑な状況をうまく切り抜けた人には、利益と成功が待っています。
研究開発への投資が強化され、バッテリー性能の向上と消費者向け価格の低下が後押しされる中、リチウムイオン電池の進歩は続くでしょう。競争の観点から見ると、市場はバッテリーパックインテグレーターやセルメーカーなどのプロバイダーに分かれています。しかし、小規模な企業は、研究開発費の調達に必要な多額の資本投資と価格低下の傾向に耐えられない可能性が高いため、統合は今後も続くでしょう。リチウムイオン電池の市場需要は、北米とアジア太平洋地域で最も高くなると予想されています。ヨーロッパ諸国も同様の代替エネルギー源を求めています。フロスト＆サリバンが2020年に予測したリチウムイオン電池の世界市場シェアの予想割合の内訳は次のとおりです。
IT、ヘルスケア、通信の各分野では、リチウムイオンベースの製品の需要が増加するでしょう。これらが、消費者、送電網、自動車、再生可能エネルギーの関心と相まって、需要が供給を上回る状況につながる可能性は十分にあります。
リチウム – 最も軽い金属
チリのアタカマ砂漠には、回収可能なリチウムが 2,840 万トンあると考えられています。これは、推定 15 億 8,000 万台の PHEV または 4 億台の電気自動車に十分な量です。さらに、リチウムはリサイクル可能で、将来的には他の用途にも使用できます。より優れたものが登場するまで、リチウムは今日および近い将来に主流となるでしょう。
業界予測では、リチウムイオン電池の製造と販売の明るい見通しが描かれています。実際、このような文字通りの好景気は、EV、エネルギー貯蔵、消費者向け電子機器を含むすべての分野で存在しています。この成長の核心はイノベーションです。世界的に、自動車用リチウムイオン電池市場だけでも、2015年までに$96億ドルのビジネスを生み出すと推定されています。2019年までに$331億ドルに達すると予測されており、今後7年間の年間成長率は14.4%です。2023年までに、リチウムイオン電池による世界の収益は$261億ドルに達するでしょう。これは、リチウムイオン電池の実証済みの信頼性によって実現しました。
イノベーションが急増し、市場が拡大するにつれて、リチウムイオン EV バッテリーのコストは急速に低下し続けています。2025 年までに $100/kWhr まで下がると予測されています。懐疑的な見方もあります。Lux Research は、2020 年までに $400/kWhr になると予測しています。他の情報源では、バッテリー式電気自動車が一般の人々にとって実現可能になる価格帯として、$150 というベンチマークを挙げています。
リチウムイオン電池市場の持続的かつ慎重な成長は、一部の電池メーカーにとって厳しい状況をもたらしています。その過程で、より大規模で確立された企業がEVドライブトレイン市場が世界中で急増するのを待ち続ける中、倒産や会社閉鎖が相次いでいます。リーダー企業には、ジョンソンコントロールズ、AESC、LGケミカルなどがあります。一方、調査によると、今後数年間で電池容量が驚異的に増加し、道路、空中、海上でハイブリッド車や電気自動車の販売が着実に増加し、2025年までに1兆4,533億ドルを超える売上を生み出すと予想されています。
新技術
現在、ハイブリッド車は市場でかなりの地位を獲得しつつあり、技術的な問題が解決され、消費者にとってコストがより納得のいくものになれば、今後 5 年間で純粋な電気自動車も追随すると予想されています。これまでのところ、トヨタとテスラは良いポジションを築いており、他の企業もそう遠くはありません。チャンスを高めるために協力する企業もあります。生き残った企業には莫大な金額が、負けた企業には忘れ去られる可能性があります。その間、技術はリチウムイオンを超えて進化し続けています。何も静止したままでいるものはないからです。ここでは、いくつかの新興技術、その可能性と落とし穴について見ていきます。
リチウム空気電池 — IBM は 2009 年からリチウム空気電池の開発に取り組んでいます。リチウム空気は電池の化学反応を変えてエネルギー密度を向上させ、その結果として大気から酸素を取り込み、充電中に酸素を生成する反応を生み出します。予測者たちはこの技術を画期的なものと見ており、自動車が充電なしで何千マイルも走行できる日を想像しています。しかし、実用化には少なくとも 5 ～ 15 年かかります。
デュアルカーボンバッテリー – パワージャパンプラス — リチウムイオンには限界があります。充電時間が長すぎます。特に「エネルギー密度」が高くありません。揮発性があります (熱、火災、爆発)。また、充電を繰り返すと電力が失われます。デュアル カーボン技術では、リチウム酸化物端子を普通のカーボンに置き換えます。それほど熱くならず、充電速度が最大 20 倍になると言われています。カーボンは簡単に入手でき、経年劣化も少なくなります。
グラフェンウルトラキャパシタ – テスラが関心を示す — この場合、抵抗器で分離された帯電プレートがバッテリーの代わりに使用されます。電気は静電場に保持され、後で放電されます。貯蔵と放電にはまだ解決されていない問題があります。グラフェンを使用すると、時間の経過とともに劣化することなく、大容量とエネルギー密度を備えたセルを生成することができます。充電はほぼ瞬時に行われます。これまでのところ、プロトタイプは非常に有望です。イーロン・マスクは「未来はバッテリーではなくスーパーコンデンサーです」と予言しました。時が経てばわかるでしょう。
リチウムイミド電池 – レイドン・エナジーズ — リチウムイミドは、非常に高温での熱膨張を制限することが実証されています。レイドンは、炭素ベースのアノードよりも高いエネルギー密度を実現するシリコンベースのアノードを製造しています。
スーパーポリマー 2.0 リチウムイオン電池 – エレクトロバヤ株式会社 — この技術は、多くの用途でバッテリーの効率と電力を高め、人体に有害であることがわかっている N-メチルピロリドン (NMP) を排除する効果があります。SuperPolymer 2.0 は耐火性が向上し、幅広い温度パラメータ内で動作できると言われています。
シリコンカーバイドと窒化ガリウム電池 — これらには、大幅なコスト削減につながる利点があります。ワイドバンドギャップ材料 (WBG) として知られるこれらの材料は、パワーエレクトロニクスで使用するとシリコンよりも効率的です。これらの材料を採用したデバイスは、小型化と軽量化が可能です。2020 年には、EV のシリコンに取って代わる可能性があると予想されています。
マグネシウムイオン電池 – ローレンス・バークレー国立研究所 — 「エネルギー貯蔵の未来」として宣伝されているマグネシウムイオンは、リチウムイオンの +1 (単一電子) に対して +2 (多価) の電荷を持っています。マグネシウムはリチウムよりも豊富で、過熱する可能性は低いです。導電性の問題や、電池の効率を妨げる可能性のある対イオンについて当初は懸念されていましたが、研究により、配位球が 3 分の 1 小さいため、導電性は実際にはリチウムイオンよりも効率的であることがわかっています。次は実際のテストで、成功すれば、強力で安価で安全なマグネシウムイオン電池が確実に続きます。
シリコン系リチウムイオン電池 – アンプリウス — ここでのアイデアは、リチウムイオン電池の電極材料として炭素ではなくシリコンを使用することです。スタンフォード大学は、中国の施設でこのアイデアを開発するAmpriusを支援するために、$30百万のベンチャーキャピタルラウンドを発表しました。アジアのプライベートエクイティファームであるSAIF Partners、投資家のKleiner、Perkins、Caulfield、Beyers、Vantage Point Capital Partners、Chinergy Capital、Innovation Endeavors、およびTrident Capitalはすべて、現在のR＆Dの成果に投資しています。目的は、炭素中心のリチウムイオン電池と比較してシリコンの10倍のエネルギー密度を活用することです。現在利用可能なエネルギー密度を最大40%まで高める可能性があります。残念ながら、炭素とは異なり、シリコンはリチウムイオンの挿入時に膨張し、破損して劣化します。障壁は、ナノチューブ構造を商業的に製造する方法の開発です。Ampriusは、テスト用にすでに6万ユニットを製造しており、2015年にバッテリーを市場投入することを目指しています。Nokiaおよびその他の中国と米国のメーカーが待機しています。一方、アンプリウス社は、第3世代のバッテリーが1キログラムあたり最大500ワット時に達することを期待している。
ナトリウム空気電池 — ナトリウム空気の容量はリチウム空気より低いのは確かですが、リチウムイオンよりは確実に高く、製造もリチウム空気よりはるかに簡単です。バッテリーの片側にはナトリウム電極があり、その下には酸素透過性の炭素電極の下に電解質が置かれています。電子がバッテリーを迂回し、イオン金属が電解質に溶解して炭素電極まで移動し、酸素と接触します。まだ実験段階ですが、研究者たちは勇気づけられています。彼らは、ナトリウム空気はリチウム空気よりも優れた電荷を保持し、充電も容易であると推測しています。欠点は？ ナトリウム空気は数回しか充電できず、すぐに寿命を迎えます。科学者たちはその理由を解明しようとしています。
アルミニウム空気電池 – フィナジー — アルミ空気は、空気中の酸素がアルミニウムと反応して電気を生成し、非常に高いエネルギー密度のバッテリーを作ります。従来の電解質と併用すると、アノードのコストが高く、副産物の問題が発生するため、広くは使用されていません。このため、主に軍事用途に使用されています。潜在的に、アルミ空気バッテリーを搭載したEVは、はるかに軽量でありながら、リチウムイオンバッテリーの8倍の航続距離を実現できます。また、アルミ空気バッテリーは、水ベースの電解質に浸すと基本的に充電できなくなります。水和酸化アルミニウムをリサイクルして得られた新鮮なアルミニウムアノードで充電することは可能です。アルミ空気バッテリーをより広く使用するには、これが実現する必要があります。従来の鉛蓄電池とのハイブリッド化が答えかもしれません。最近、Phinergyは、独自のカソードと水酸化カリウムを使用して330kmを走行できるアルミ空気セルを使用した電気自動車を披露しました。アルコアと提携したPhinergyは最近、リチウムイオンとアルミ空気バッテリーを使用した小型EVをテストし、驚異的な1000マイルの航続距離を示しました。充電式ではないものの、モジュール式のアルミニウム カートリッジは新しいものと交換できます。リチウム空気電池と併用してバックアップ電源として使用すれば、ドライバーに炭素を排出しない代替手段を提供できます。実際には、リチウム空気電池はガソリン車に匹敵する性能を発揮しますが、よりクリーンです。これは実行可能な選択肢であり、間違いなく検討対象となります。
亜鉛空気電池 — 充電式ではない亜鉛空気電池は、空気中の酸素で亜鉛を酸化することで電力を生成します。エネルギー密度が高く、製造コストも安価です。補聴器やカメラなどの小型アプリケーションに適しています。EV で使用する場合、電池ははるかに大きくなります。放電すると、亜鉛粒子が電解質で飽和した多孔質の陽極を形成します。陰極では、酸素が反応して水酸化イオンを形成し、これが亜鉛ペーストに移動して亜鉛酸塩を生成します。これにより、電子が陰極に移動できるようになります。亜鉛酸塩は分解して酸化亜鉛を形成し、水は電解質に戻ります。陽極からの水と水酸化は陰極でリサイクルされるため、水は最終的に消費されません。理論上、反応により 1.65 ボルトが生成されますが、利用可能なセルでは 1.35 ～ 1.4 ボルトに低下します。亜鉛空気電池は、電池と燃料電池の特性を共有しています。亜鉛は燃料として機能し、反応は空気の流れの変化によって管理されます。酸化された亜鉛/電解質ペーストは、新しい製品と交換できます。完全に実現されれば、空気亜鉛電池は EV の実用的なエネルギー源となり、公共事業グレードのエネルギー貯蔵に利用できるようになります。
ゲル電池 — ゲルセルは、電解質がゲル化された VRLA バッテリーです。フュームドシリカを硫酸と混合して、ゲル状の動かない塊を形成します。ゲルセルには、湿式セルバッテリーに固有の問題 (蒸発、腐食、こぼれ) がなく、極端な温度、ロッドの振動、衝撃に対する耐性が優れています。湿式セルバッテリーとは異なり、鉛板のアンチモンがカルシウムに置き換えられているため、ガスの再結合が発生する可能性があります。
…で何が起こっているのですか?
パナソニック
ハイブリッドおよびプラグイン バッテリーの需要は、特にテスラとの提携に関してパナソニックにとって恩恵となっている。パナソニックは最近、39% の市場シェアを誇示し、これに NEC の 27%、LG Chem の 9% が続いている。パナソニックは 2014 年 10 月にテスラとのバッテリー製造契約を拡大した。
テスラの大きな動きは、ネバダ州に建設予定の$5Bドルのギガファクトリーで、35GWhのリチウムイオン電池生産に重点を置くことになる。パナソニックは、一部の人が高リスク事業と見ているこの取り組みでテスラと提携している。この投資が理にかなっていて、本当に安価なリチウムイオン電池の製造に画期的な進歩をもたらすことができるかどうかはまだ分からない。テスラが2020年に24万台のEVを販売したとしても（彼らの希望通り）、パナソニックは利益率が低いかもしれないと推測する人もいる。現在の状況では、テスラが過剰生産能力で稼働している可能性があり、それを相殺するのは困難かもしれないと推測するのは簡単だ。
一方、パナソニックは最近、ポリポア インターナショナルの子会社であるセルガードと提携しました。両社は力を合わせ、次世代のパナソニック バッテリー セル用のコーティングなしおよびコーティング済みのセルガード セパレーターを開発します。開発段階の後、両社は長期供給契約を結ぶことを望んでいます。バッテリー セパレーターはリチウムイオンの移動を可能にすると同時に、カソードとアノードの間にバリアを形成します。セルガードは現在、セパレーターにポリプロピレン、ポリエチレン、または 3 層 PP/PE/PP 電解膜を使用しています。
サムスン
サムスンは 2000 年にリチウムイオン電池の製造を開始しました。それ以来、同社はイノベーションと高品質の製品の開発を通じてリーダーとしての地位を確立してきました。同社は 2010 年以来、リチウムイオン電池市場における世界的リーダーとして認められています。サムスンは、標準的な電池寸法パラメータの範囲内で優れたエネルギー密度と電力を提供する角柱型電池セルを製造しています。同社は、角柱型の方がラミネート型よりも問題が少ないと考え、今後も角柱型を使い続ける予定です。
専門家は、2020年までにコストが1キロワット時あたり$150USまで下がると予想しており、販売/設計側よりも材料側の価格が下がる傾向が強い。設計が製造段階で進歩すれば、コストは最終的に下がるだろう。そのため、サムスンはコスト削減策に積極的に取り組んでいる。
同社は、ハイブリッド電気自動車用の 5Ah クラス、プラグイン用の 20Ah、純電気自動車用の 60Ah、マイクロ/マイルド HEV 用の 4.0Ah/11Ah「Hi Cap」など、いくつかの高度な自動車用バッテリー セルを量産することができます。サムスンの 5.2Ah は世界最小かつ最も強力なセルであり、5.9Ah は業界最高の電力密度を提供し、現在、マイルド(?) ハイブリッド SUV およびハイブリッド スーパーカー向けに量産されています。
将来を見据えて、サムスンは 10 年後までにバッテリー技術の進歩を目標に定めています。2016 年までに、新しい (NCM) ニッケル コバルト マンガン バッテリーは 130 wh/kg のエネルギー密度を実現します。サムスンは 2019 年までに 250 wh/kg を提供する先進的な NCM を計画しています。業界の多くの企業がリチウム空気燃料電池の実装に向けて邁進する中、サムスンは 2020 年までにそれを実現したいと考えています。サムスンが考えているバッテリーは、エネルギー密度が +300 wh/kg になります。
さらに、サムスンの EV 60Ah クラスのバッテリーは、業界最高の体積エネルギー密度を誇り、現在、欧州および米国の OEM 向けに量産されています。26Ah および 28Ah は、業界最高の体積電力およびエネルギー密度を誇ります。積み重ね可能なコンパクトな設計により、セルのモジュール化が可能になり、パッケージングが容易になります。これらは、欧州の OEM 向けに量産されています。
サムスンは今後2～3年、化学物質の組み合わせに劇的な変化を起こさずにニッケル電池の製造を続けると予想される。技術開発により、既存の材料を使用してアンペア/時が2倍になる可能性がある。同社は添加剤とセパレーターの実験を継続しているため、アノードに大きな変更は予定されていない。セキュリティ許可により、2020年以前の大きな変更は無効になる。サムスンは、2030年近くになると、リチウム空気を含む製品開発の機会が増えると予想している。サムスンは、1850年の化学物質を角型電池に使用することでコストを削減し、電池のエネルギー密度を高める能力を持っているが、中国政府の規制によりそれが許可されていない。
サムスンは、2020年までに、ホライズン2020の目標に沿ったCO2レベルを達成するために、高電圧48と低電圧リチウム電池の両方の需要が増加すると予想しています。現在、サムスンは日産リーフに次ぐ第2位です。BMWとの提携により、市場シェアが拡大し、トップ3に入る可能性があります。
一方、フォードはサムスンSDIと連携して、車両のブレーキ時に通常失われる最大95%のエネルギーを保持できる回生ブレーキを中心としたハイブリッド技術の開発に取り組んでいます。二酸化炭素排出量を削減するための短期的な解決策と見なされているこのシステムは、燃料を節約するために車両が停止するとエンジンを停止するフォードのオートスタートストップと連携します。特別なバッテリーが内部システムとアクセサリに電力を供給し、ブレーキが解除されるとエンジンが再始動します。長期的には、フォードとサムスンSDIは、既存のハイブリッドバッテリーよりも最大30%小さい超軽量リチウムイオンバッテリーを開発しています。ニッケル水素で構成され、最大3倍の電力を供給できる可能性があります。コンセプトカーに軽量化戦略を採用することで、最終的にはパフォーマンスと効率が向上します。フォードは、必要なバッテリーコンポーネントの製造、設計、エンジニアリング、およびその後のテスト手順に$135Mを投資しました。さらに、フォードはローレンス・バークレー国立研究所で進行中のエネルギー貯蔵研究を支援しています。フォードは、有毒物質の管理と使用済みバッテリーのリサイクル性を含む車両寿命終了ソリューション (ELVS) に関心を持っています。お客様は、参加ディーラーに古いバッテリーを持ち込んで、無料でリサイクルすることができます。
サムスンの「曲げられる」バッテリー – サムスンSDIは、韓国で開催された2014年インターバッテリーコンベンションで、巻き付けたり曲げたりできる新しいバッテリーを発表しました。U字型に曲げたり、カップに巻き付けたりできるこのバッテリーは、同社のギアフィットフィットネスバンドに搭載されている湾曲した210mAhセルのように、ウェアラブルな形で人々の手首に装着される可能性が高いです。現時点では、バッテリーは信頼性と安全性を向上させるためにまだ開発中であり、一般に公開されるまでにはしばらく時間がかかる可能性があります。LG化学もウェアラブルに興味を持っており、同様のバッテリーを開発中ですが、最近は電気自動車用のバッテリー製造に重点を置いています。
サクティ3
このミシガン州の新興企業は、リチウム電池をコンピューターチップと同じくらい効率的かつ手頃な価格で製造することを目指しています。CEO兼創業者のアン・マリー・サストリーの発案によるSakti3は、2014年に電池技術の大きな進歩が目前に迫っていると発表しました。彼らは、リチウムイオンのエネルギー密度を2倍にし、コストを5分の1に抑える電池を開発中だと主張しています。これは、環境に優しい車に乗り換えるために必要な価格と走行距離を顧客に提供する技術なのでしょうか？ おそらくそうでしょう。Sakti3は、日本の実業家、伊藤忠商事、Khosla Ventures、ゼネラルモーターズ、ミシガン州などの支援者から1億4,300万ドルの研究資金を集めています。
Sakti3 は、太陽電池やフラットパネル TV ディスプレイに似た製造方法を採用した固体リチウムイオン電池を開発したと主張している。この真空蒸着技術は、Sakti3 に安価で迅速な製造プロセスをもたらす可能性がある。現時点では、同社はミシガン州の小規模なパイロット生産ラインでセルを生産しており、今後数年で商品化することを望んでいる。
ハードルはある。大規模に運用するには、製造コストが飛躍的に増大し、コストも高くなる。実用的なサイズのバッテリーを大量に製造することも、大きな課題となる。固体電池が今日の自動車に必要な急加速を提供できるかどうかは疑問だが、これは固体電池の過去の支持者たちが解決できなかった問題だ。また、そのようなバッテリーが極端な温度に耐えられるかどうかも疑問だ。過酷な道路環境に耐えられるほど頑丈だろうか？トヨタや、コロラド州のソリッドパワーバッテリー、カリフォルニア州のシーオなどの新興企業など、この分野には他にも参入企業がある。プラナーエナジーなど、すでに撤退を表明している企業もある。
Sakti3 はまず、寿命を 2 倍にできるスマートフォン用の固体電池の開発を目指しています。その後、自動車用バッテリー パックの開発に着手します。長期的には、Sakti3 は風力および太陽光発電の公益規模の貯蔵用の固体電池を構想しています。Frost と Sullivan は、リチウム電池市場が 2020 年までに $76.4B に達し、最大 25% まで成長すると予測しています。Ann Marie Sastry は、大規模な電池の経験を持つパートナーが必要であることを認識しています。多くの分野をカバーするコモディティ化されたセル形式、実績のあるテスト結果、および困難な分野を扱った経験を持つマーケティングおよびテクニカル セールス チームを備えた大規模なアジアの製造業者から支援が得られる可能性があります。
LGケミカル
韓国のLG化学は最近、2016年までに200マイル走行可能なEVバッテリーを供給できると発表した。このバッテリーを誰に供給するかは謎のままだが、最有力候補はゼネラルモーターズのようだ。GMはキャデラックEDR、シボレーボルト、輸出用ボルト/アンペラにLG化学のセルを採用している。しかし、LG化学はヒュンダイ、起亜、ボルボ、ルノー、フォードなどの競合自動車メーカーにもバッテリーを供給している。GMはテスラの200マイル走行車の開発計画を注視しており（2016～2017年と予想されている）、その動向を見守っている。
開発中の200マイルバッテリーは、高温に耐えるポーチタイプの包装材を使用してエネルギー密度が向上すると報じられている。電力密度は約400kWhに向上するはずだ。同時に、製造コストは30%まで下がると予想されている。 $14B LG Chemは、もちろん、リチウムイオン電池の世界的大手サプライヤーです。これは同社にとって主要な成長分野です。過去7年間で、リチウムイオン電池への投資は5倍に成長しました。同社は米国、中国、日本、韓国に4つの研究開発施設、韓国と中国に3つの製造工場を持ち、すべてリチウムイオン電池の生産とエンジニアリングに重点を置いています。
LG Chemのバッテリーセルは、積層された長方形のコアを持っています。セルのコアスペースを最大化し、ラミネーションを最小限に抑えるための努力がなされています。2020年までに、同社は現在の1：3の比率を大幅に改善し、セルのコアを増やしてラミネーションをさらに最小限に抑えたいと考えています。LGの化学的フォームファクターはポーチ型です。セルの異なるフォームファクターには長所と短所があり、一部のOEMは他のフォームよりも1つのフォームに忠実です。ハイブリッド電気の場合、フォードはパナソニックの化学物質を使用しており、それは円筒形です。しかし、バッテリー電気に関しては、LG Chemとはまったく異なる化学物質とフォームファクターを使用しています。電解質に関しては、ゲルタイプの電解質が使用される可能性はあるものの、同社が固体タイプを採用すると考える人もいます。
同社は市場動向に自信を持っており、12～48ボルトのバッテリーには成長の可能性があると考えている。LG化学は、その分野で競争力を持つための技術を開発している。また、サムスンやパナソニックなどの企業との相乗効果も大きく、政府と協力して化学やパッケージングに関するバッテリー技術を推進し、コスト削減を図ることができる。2022年に最も安価な12ボルトバッテリーの価格は170～180ユーロになるだろうと考える人もいる。
世界最大の自動車市場で高まる需要に応えるため、中国の南京に電気自動車用バッテリー工場が新設される。2015年末に完成予定の南京工場は、中国の自動車メーカーである上海汽車、観強などの企業に製品を供給する。最近、LG化学は中国国営企業である南京紫金科技インキュベーション特別園区建設開発有限公司および南京新産業投資グループ有限公司と提携した。両社は共同でEV用バッテリーを製造する。LGはこのベンチャーに多額の投資を行っており、2020年までに$1Tの収益を見込んでいる。
LG ケミカルは、3M やパナソニックと同様に、シリコンベースのアノードを備えたバッテリーを市場に投入することに興味を持っており、手強い競争相手となる可能性があります。NCA (ニッケル コバルト アルミニウム) は、カソードに採用される材料の 1 つになると思われます。多くの企業が、大学や政府補助金を受けた研究所から生まれた技術のライセンスを取得したいと考えています。Amprius などの企業も同様の技術を開発しており、バッテリーにシリコンを組み込むさまざまな方法を模索することに熱心です。大小さまざまな企業がこのハイリスクのバッテリー戦場で優位に立つために態勢を整えているため、特許紛争が確実に発生するでしょう。
ジョンソンコントロールズ
世界最大のバッテリー製造会社であるジョンソンコントロールズは、世界中の50の施設に15,000人の従業員を擁し、毎年業界のバッテリーの3分の1（1億4000万個以上）を自動車メーカーや小売業者に供給しています。これにはハイブリッド車や電気自動車のバッテリーが含まれます。ジョンソンコントロールズは、世界最大の自動車契約のいくつかを獲得することを目的としてNMCバッテリー化学を開発してきましたが、EVバッテリー市場に特化した工場を建設することには消極的です。日産自動車とNECとの共同事業であるAESCは、自動車メーカーが直接所有する唯一のリチウムイオンセル製造会社です。同社は、特に日産リーフ向けに膨大な量のバッテリーを製造してきました。
2012 年、ジョンソン コントロールズは $125M で A123 システムズを買収しました。これらの資産には、製品と既存の契約、リチウムイオン バッテリー技術、ミシガン州の工場、中国のブラウン管工場、中国のバッテリー会社の株式が含まれていました。同社は最終的に破産保護を申請せざるを得ませんでした。
それ以来、ジョンソン コントロールズは成長を続けています。2015 年の予測では、同社は中国で高い利益率と継続的な成長の大きなチャンスを期待しており、2014 年には中国で $8B を超える売上を達成しました。ジョンソン コントロールズは最近、重慶市に 133,000 平方フィートの新しい $154M バッテリー工場を開設し、年間最大 600 万個のバッテリーを生産する予定です。
自動車会社
最近、 フォルクスワーゲン 同社は三洋電機と提携し、従来の4倍の電力を供給できる可能性のあるバッテリーを開発している。フォルクスワーゲンの技術を使用して開発され、80kWhを供給する可能性がある。関係者は、開発の初期段階にあるリチウム空気ユニットであると考えている。
推定では テスラ テスラは2017年までに20億個のリチウムイオン電池を消費するでしょう。モデルSとモデルXはどちらも18650電池を採用しています。モデルSは電気自動車で最大のバッテリー（85kWh）を搭載し、最長の走行距離を提供します。パワートレインはジョンソンコントロールズのNMCリチウムイオンシステムを利用しており、これはeバイク、軍事・医療機器、電動工具にも使用されています。2020年までに、テスラはコスト削減のためにシリコンカーバイドパワーエレクトロニクスの使用に移行する可能性があります。ワイドバンドギャップ材料であるシリコンカーバイドはより効率的で、モデルSで最大20%の電力節約につながる可能性があります。これは、バッテリーコストの削減で$6,000の潜在的な節約につながります。
ゼネラルモーターズ 同社は、電力研究所および他の 15 社の電力会社と連携して、「スマート」なプラグイン車両充電システムの開発に取り組んでいます。BMW、ホンダ、三菱、フォード、トヨタ、メルセデスベンツ、クライスラーもこのコンソーシアムに参加しています。全体的なコンセプトは、電力会社とプラグインが通信してピーク時に車両充電を縮小し、エネルギー費用を削減できる「デマンド充電」システムを導入することです。路上のプラグイン車両の数が着実に増加しているため、このシステムが必要です。自動車メーカーは、自社のプラグイン車両すべてと互換性のあるオープンプラットフォームを作成したいと考えています。
BMW BMWは、SAEコンボ急速充電器やソーラー充電ポートなど、既存モデル向けの充電オプションを多数提供しています。カリフォルニア州サンノゼで最近行われたプラグインカンファレンスで、BMWは新しいiDC急速充電ユニットと、同社がChargeNow DC急速プログラムと呼ぶものを宣伝しました。BMWのiDC急速充電器は、同クラスの他の充電器よりも小型で安価です。コンボコネクタにより、VW、シボレー、フォード、その他のEVと互換性があります。iDC急速充電器は、約30分で車両を80%まで満充電します。充電器には、ChargePointカードまたはChargeNowカードでアクセスできます。BMWは、2014年末までにカードを最初に使用することを条件に、参加しているNRG eVgo Freedomステーションで2015年末までドライバーに無料充電を提供します。2016年までに50台の充電器がカリフォルニア州で利用可能になります。
トヨタ 同社は現在、固体電池の可能性とリチウム空気技術を研究しており、2020年までにリチウムイオンから切り替えるという長期計画を掲げている。さらに、同社は水素燃料電池で動く電気自動車「ミライ」を日本でまもなく発売する予定だ。
日産 日産は、日本の主要大学と連携し、リチウムイオン電池の充放電中の正極材料における電子活動を直接観察できる分析方法の開発に取り組んでいます。この方法は、ゼロエミッションEVの走行距離延長に役立つ高容量で耐久性のある電池の開発につながる可能性があります。この新しい分析方法は、L吸収端を利用するX線吸収分光法と、日本の地球シミュレータスーパーコンピュータの第一原理計算を組み合わせたものです。エネルギー密度を最大50%まで高める可能性のあるリチウムを豊富に含む材料を分析しています。高電位状態では、充電中に酸素の電子が活発に活動していることが指摘されました。同時に、放電反応中はマンガンの電子が活発に活動していました。日産はこれを、より長寿命で大容量の電池を生み出すことができるリチウムを豊富に含む電極材料の最終開発に向けた大きな一歩であると考えています。
リチウムイオン電池：安全性、政治、特許の問題
安全性の問題
リチウムイオン電池は世界市場で成功を収めているものの、電池自体に関する安全性の懸念や問題も生じています。たとえば、2006 年にソニーは、故障率が 1:200,000 であった 6M 電池の回収を余儀なくされました。ソニーは、微細な金属粒子が電池セルと接触してショートを引き起こし、発火する可能性があると述べました。その後、この率は 1:10,000,000 にまで低下しました。倉庫火災は珍しくないと報告されています。また、急速な分解や内部ショートの可能性についても懸念がありました。
シボレー ボルトはリチウムイオン電池に関連した火災問題を抱えていた。NHTSA による衝突試験を受けたパックが、最初の試験から数週間後に保管エリアで火災を起こした。追加試験で状況が再現され、さらに火災が発生した。GM と NHTSA の職員は、NHSTA がなぜ事故発生から 5 か月も経ってから報告しなかったのか、米国議会議員から質問を受けた。
政治的な問題
政府の介入や規制は、ハイブリッド/電気バッテリー業界の進歩に影響を及ぼすことがよくあります。グリーン テクノロジー自体は、既存の石油ベースのエネルギー経済に固執する人々と、より進歩的な環境アジェンダを推進しようとする人々の間で分裂を引き起こす問題であることがよくあります。
中国は電気自動車の促進を目的とした国家政策を策定しているが、期待されたほどの成果は出ていない。政府が電気自動車の普及に圧力をかければ、税金や魅力的なインセンティブでそれが実現できると考える人もいる。彼らが望む販売台数の増加を促進するには、適切な経済バランスとインセンティブ パッケージが必要だ。
米国エネルギー省（DOE）は、2020年までに石油輸入を半減させたいと考えている。また、自動車の排出量を2005年より17%削減したいと考えている。この目標達成のために、DOEは水素燃料電池、バッテリーのアップグレード、自動車の電動化技術革新、バイオ燃料に期待している。そのすべてがDOEの計画に盛り込まれている。 戦略計画 2014-2018 DOE が最近発表した文書によると、多くの企業はこれらの目標達成を支援する政府資金を期待できる。DOE の 5 カ年計画の一環として、風力、太陽光、地熱などの再生可能エネルギーが定められた期間内に出力を 2 倍にし、必然的に官民パートナーシップが生まれることが期待されている。
課税官がやってくる…ウィスコンシン州の運輸長官マーク・ゴットライブ氏は、ハイブリッド車や電気自動車の所有者に対して $50 の登録料を課すよう求めている。これは、2014 年 11 月 14 日の予算要求の一部である。ゴットライブ長官は、これらの所有者は「インフラの運営コストの公平な負担を支払うべき」だと感じている。承認されれば、ウィスコンシン州は、グリーンカー所有者に料金を課し、本来ならこれらのドライバーが支払わなかったガソリン税の収入を回収している米国の他の 5 つの州 (ノースカロライナ州、ネブラスカ州、コロラド州、バージニア州、ワシントン州) に加わることになる。しかし、提案されている税金は、ガソリンをあまり使用しないドライバーにペナルティを課すだけだと考える人もいる。
イーロン・マスクの $5B ギガバッテリー工場をアリゾナ、テキサス、ネバダ、ニューメキシコに誘致する競争が激化しました。数十億ドルの直接投資と 6,500 人もの新規雇用が懸かっていました。誘致の餌として、政治家たちは約束と納税者のお金を使いました。事態を複雑にしているのは、米国の多くの州がテスラが州内の顧客に直接販売するのを阻止する立法活動を開始したことです。ミネソタ州とマサチューセッツ州はテスラに友好的ですが、ニューヨーク州、オハイオ州、ニュージャージー州は明らかな抵抗を示しています。
テキサス州知事リック・ペリーは、自動車販売店から$30万以上の政治献金を受け取っており、昨年6月にはテスラに感銘を与えるための政治的スタントとして、サクラメントでテスラ モデルSを運転したほどだった。しかし、それはうまくいかなかった。最終的に、2014年9月にネバダ州が勝利し、テスラの新しいギガファクトリーの本拠地となる。この州が選ばれたのは、テスラのカリフォルニア工場とネバダのリチウム鉱山の両方に近いためだと報じられている。$1.25Bのインセンティブパッケージは、ネバダの説得努力に決して悪影響を与えなかった。
カリフォルニア州では、州政府機関が2025年までに州内の高速道路に150万台のゼロエミッション車を導入する計画を策定している。最近、カリフォルニア州エネルギー委員会は、2015年末までに28の水素燃料補給ステーションと移動式燃料補給車に約$50Mを使用することを決議した。
充電ステーション – インフラの整備
「航続距離の不安」は、充電が必要になる前に走行できる距離が短いため、環境に優しい自動車の購入を躊躇させる原因となります。さらに、ハイブリッド車や電気自動車をどこで充電するかという問題もあります。業界が進化し成長するにつれて、路上でますます増える電気自動車の需要を満たすために、充電ステーションの支援インフラが必要になります。
今のところ、充電ステーションのほとんどは大都市の近くにあります。世界中にそのようなステーションが数千あると推定されています。インフラを開発し、EV の購入を促進するには、民間部門からの資金流入が必要であることにほとんどの人が同意しています。現在の EV の走行距離はかなり限られているため、この必要性はさらに増しています。環境保護車のドライバーも、より速い充電時間を求めることは間違いありません。
充電市場は2020年まで毎年倍増すると予想されています。新しく開発されたワイヤレス充電により、ドライバーは地上センサーの上に駐車し、ワイヤーを使わずに車両を簡単かつ迅速に充電できるようになります。10社の自動車メーカーがワイヤレスシステムをテストしていることが知られており、その多くが車両にワイヤレス充電システムを組み込む予定です。フォルクスワーゲンは2017年までに誘導システムを導入する可能性があります。10年後には、ワイヤレス充電ユニットの販売台数が35万台を超える可能性があります。
デューク・エナジー、ヘルツ、グーグルと提携しているエヴァトランは、プラグレス L2 コードレス システムで ETL 認証を取得した最初の企業です。シボレー ボルトのエクステンデッド レンジ プラグインおよび日産リーフのバッテリー/電気自動車と互換性のあるエヴァトランのシステムは、磁場と誘導電力を利用して、フロア パッドからオンボード アダプターに充電します。これまでのところ、安全上の事故は報告されていません。
特許問題
90 年代初頭にニッケル水素電池の化学が出現して以来、今日のハイブリッド車の開発に不可欠な化学ですが、米国自動車電池協会が自動車業界によって電気自動車の技術と開発を妨害するために利用されたという憶測が持ち上がっています。これを実現する方法の 1 つは、該当する特許に関する情報を一般に公開しないようにすることです。問題の特許は、Ovonics の創設者であるスタン・オブシンスキーのものです。彼は、自動車業界がニッケル水素技術がまだ準備できていないと誤って示唆したと主張しました。94 年までに、GM は Ovonics の経営権と大型ニッケル水素電池の製造に関する特許を取得しました。さらに後の 2001 年に、テキサコが GM の Ovonics の株式を購入し、その後、シェブロンがテキサコを買収しました。陰謀はさらに複雑になりました。
2003 年までに、Texaco Ovonics は Energy Conversion Devices Ovonics とともに Cobasys になりました。Chevron は ECD Ovonics の 19.99% の権益を保有し、NiMH 技術のライセンス供与や販売に対する拒否権を持っていました。Chevron はまた、ECD Ovonics が契約上の義務を履行しなかった場合、Cobasys の知的財産権を取得する権利があると感じていました。Chevron は、競争を制限するために特許ライセンスを管理することで、大型 NiMH バッテリーへのアクセスを拒否していたのでしょうか。Ovshinsky は、ECD Ovonics が石油会社と取引を始め、その会社が自社を廃業させようとしているのは間違いだと考えていました。
一方、エンビア・システムズは、同社が自社の技術を不当に使用し、他社の技術を自社の技術として偽って宣伝したと感じた元幹部らから訴訟を起こされた。これはすべて、GMに高エネルギー密度バッテリーを供給するためだった。
テスラは最近、特許を誰でも利用できるように公開するというニュースを報じた。投資家やEV愛好家の中にはこのニュースを温かく迎えた者もいれば、肩をすくめる者もいた。特許自体が提供する情報には限界があると主張する者もいた。さらに、新製品や新技術が登場すると、特許はすぐに古いニュースになってしまうこともある。テスラの提案に対する反応はまちまちだが、2014年6月に日産とBMWがテスラと充電技術について秘密裏に会談したという噂がある。BMWはこの会談を認めている。ホンダとGMはイーロン・マスクの提案にほとんど関心を示さなかった。トヨタ、クライスラー、フォードはこの件について沈黙している。マヒンドラは、ブータンでの電気自動車ベントセダンの開発に応用できるかどうか、テスラの特許を検討中と言われている。
バッテリー技術と性能の進歩は、今後数年間、民間部門とビジネス部門の経済的ニーズを満たすために、引き続き出現するでしょう。環境規制は、EV/PHV の航続距離と信頼性を向上させながら規制要件を満たすために苦闘するメーカーにとって課題となります。ハイブリッドと電気は必然的に存在し続け、バッテリーの未来をめぐる戦いは続くでしょう。強くて真に革新的なものだけが生き残り、多くは道端に落ちていきますが、2020 年、2030 年、そしてそれ以降に起こる可能性は、業界の最高の頭脳と先見の明のある人々の想像力を刺激します。彼らは、バッテリー駆動の未来を可能な限り最高のものにするブレークスルーを実現するでしょう。
この論文の作成に使用された情報の一部は、以下の情報源から引用されました。(特定の事例や参考文献はリクエストに応じて提供されます):
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