バッテリーは、電気自動車(EV)の大量普及への道のりにおける最大の障害の一つです。しかし、もしバッテリーが長持ちするだけでなく、自己修復もできるとしたらどうでしょうか?これは、ヨハネス・ツィーグラーや劉蘇夫のような研究者を突き動かすビジョンであり、彼らはこれを実現するために取り組んでいます。
ヨーロッパにおけるEVの販売は急増しており、2024年の同月と比較して2月に20%増加しました。EVは、私たちの輸送手段を電動化し、地球を破壊する炭素排出量を削減するために不可欠ですが、その道のりは課題がないわけではありません。
ほとんどのEVは、私たちの携帯電話のものと同様の、しかしはるかに大きく複雑なリチウムイオンバッテリーに依存しています。EVバッテリーには、数十キログラムの貴重な金属(リチウム、ニッケル、銅など)が含まれており、EVの予想寿命に合わせ、10年以上持続する必要があります。
この課題に取り組むため、研究チームはPHOENIXというEU資金提供のイニシアチブの下に集まり、自己修復できるバッテリーの開発を目指しています。彼らの目標は、バッテリー寿命を延ばし、安全性を高め、新しいバッテリー金属の必要性を減らすことです。
「その考えは、バッテリー寿命を延ばし、そのカーボンフットプリントを削減することです。なぜなら、同じバッテリーが自己修復できるため、全体として必要な資源が少なくなるからです」と、ドイツのフラウンホーファー・ケイ酸塩研究所ISCの材料科学者であるツィーグラー氏は述べています。
2023年、EUはリチウム、ニッケル、銅、コバルトなどのバッテリー金属を含む34の材料を重要と特定しました。
PHOENIXプロジェクトは、自分の灰から立ち上がる神話上の鳥にちなんで名付けられました。これは、研究者がバッテリー技術で達成したい再生と更新の象徴にふさわしいものです。
そして、その賭けは大きいです。EUの法律では、2035年以降に販売されるすべての新車とバンはゼロエミッションを生成することが義務付けられています。その目的は、輸送部門からの温室効果ガス排出量を大幅に削減することです。
そのためには、電気自動車はより良いバッテリーを必要とします。
スマートフォンを所有している人は誰でも、バッテリーに対する不満を知っています。数年後には、その寿命は急落します。同じ問題がEVにも発生しますが、規模が大きくなっています。
これは、バッテリーの一部が時間の経過とともに繰り返し充電および放電されるにつれて劣化するために起こります。
ベルギー、ドイツ、イタリア、スペイン、スイスの科学者は、リチウムイオンバッテリーの経年劣化に伴う変化を検出し、必要に応じてバッテリーの自己修復をトリガーするセンサーを設計するために協力しています。
その目的は、バッテリーの寿命を2倍にし、ひいてはEVの寿命を延ばすことです。
「その考えは、バッテリー寿命を延ばし、そのカーボンフットプリントを削減することです。なぜなら、同じバッテリーが自己修復できるため、全体として必要な資源が少なくなるからです。
今日、バッテリー管理システム(BMS)—バッテリーの頭脳—は、バッテリーが過熱して安全上の問題を引き起こさないように、バッテリーの電圧と温度を監視しています。
「現在、感知されているのは、一般的に温度、電圧、電流が非常に限られています。残りのエネルギーの利用可能性の見積もりを提供するだけでなく、安全性を確保しています」と、革新的な技術を開発するイノベーションセンターであるスイス電子マイクロテクノロジーセンター(CSEM)のエンジニアであるイヴ・ストーファー氏は述べています。ストーファー氏は、BMSの研究を主導しています。
PHOENIXチームは、高度なセンサーとトリガーを導入することで、さらに一歩進むことを目指しています。そのうちのいくつかは、バッテリーが膨張したときに検出し、他のものはヒートマップを生成し、一部は水素や一酸化炭素などの危険なガスを監視します。
これらのセンサーはすべて、バッテリーの健康状態に関する早期警告システムを提供します。
バッテリーの頭脳が修復が必要と判断した場合、修復が有効になります。これは、たとえば、バッテリーを元の形に戻したり、自己修復メカニズムをトリガーするためにターゲットを絞った熱を加えたりすることを意味する可能性があります。
「その考えは、熱処理の下で、いくつかのユニークな化学結合が跳ね返るということです」と、PHOENIXにも取り組んでいるCSEMのバッテリー化学者である劉蘇夫氏は述べています。
別の自己修復アプローチでは、充電中にバッテリー電極に形成され、短絡や故障を引き起こす可能性がある樹状突起—分岐した金属構造—を破壊するために磁場を使用します。
PHOENIXの研究者は、EVの航続距離を延ばし、バッテリーのサイズを小さくすることも目指しています。
「私たちは、より高いエネルギー密度を持つ次世代バッテリーを開発しようとしています」と劉蘇夫氏は述べています。これは、EVがより小さなバッテリーを必要とし、それによって軽量化され、1回の充電でより長く走行できるようになることを意味します。
1つの戦略は、鉛筆に使用されている材料であるグラファイトを、金属と非金属の中間に位置するシリコンに置き換えることです。
これは、今日の市販のバッテリーでは広く採用されていません。その理由の一部は、シリコンの安定性が低く、充電および放電中にその体積が最大300%膨張する可能性があると劉蘇夫氏は述べています。シリコンを内部に含める場合、バッテリーはこれらの劇的な変化に耐えるか、自己修復できなければなりません。
「私たちは、より高いエネルギー密度を持つ次世代バッテリーを開発しようとしています。
2025年3月には、新しい一連のセンサープロトタイプとトリガーが開発され、バッテリーポーチセル(柔軟で軽量で平らなリチウムイオンバッテリー)でのテストのためにパートナーに発送されました。
しかし、バッテリーにセンサーを搭載することは、その健康状態に関する情報を提供するのに役立ちますが、コストも増加します。したがって、チームは、EVのコストを正当化するのに十分なメリットを提供する技術を特定することに焦点を当てています。
どちらのアプローチが優勢になっても、将来のEVは、より長く持続し、より遠くまで走行できるようになり、より安全で、よりコンパクトで、資源集約度の低いバッテリーが実現します。
バッテリー寿命を延ばすことは、EVのカーボンフットプリントも削減し、消費者と環境の両方にとってウィンウィンの結果をもたらします。
「バッテリーの寿命を延ばし、EVに取り組むことはエキサイティングです」とツィーグラー氏は述べています。「それはすべて、部品をまとめることなのです。」
バッテリーは、電気自動車(EV)の大量普及への道のりにおける最大の障害の一つです。しかし、もしバッテリーが長持ちするだけでなく、自己修復もできるとしたらどうでしょうか?これは、ヨハネス・ツィーグラーや劉蘇夫のような研究者を突き動かすビジョンであり、彼らはこれを実現するために取り組んでいます。
ヨーロッパにおけるEVの販売は急増しており、2024年の同月と比較して2月に20%増加しました。EVは、私たちの輸送手段を電動化し、地球を破壊する炭素排出量を削減するために不可欠ですが、その道のりは課題がないわけではありません。
ほとんどのEVは、私たちの携帯電話のものと同様の、しかしはるかに大きく複雑なリチウムイオンバッテリーに依存しています。EVバッテリーには、数十キログラムの貴重な金属(リチウム、ニッケル、銅など)が含まれており、EVの予想寿命に合わせ、10年以上持続する必要があります。
この課題に取り組むため、研究チームはPHOENIXというEU資金提供のイニシアチブの下に集まり、自己修復できるバッテリーの開発を目指しています。彼らの目標は、バッテリー寿命を延ばし、安全性を高め、新しいバッテリー金属の必要性を減らすことです。
「その考えは、バッテリー寿命を延ばし、そのカーボンフットプリントを削減することです。なぜなら、同じバッテリーが自己修復できるため、全体として必要な資源が少なくなるからです」と、ドイツのフラウンホーファー・ケイ酸塩研究所ISCの材料科学者であるツィーグラー氏は述べています。
2023年、EUはリチウム、ニッケル、銅、コバルトなどのバッテリー金属を含む34の材料を重要と特定しました。
PHOENIXプロジェクトは、自分の灰から立ち上がる神話上の鳥にちなんで名付けられました。これは、研究者がバッテリー技術で達成したい再生と更新の象徴にふさわしいものです。
そして、その賭けは大きいです。EUの法律では、2035年以降に販売されるすべての新車とバンはゼロエミッションを生成することが義務付けられています。その目的は、輸送部門からの温室効果ガス排出量を大幅に削減することです。
そのためには、電気自動車はより良いバッテリーを必要とします。
スマートフォンを所有している人は誰でも、バッテリーに対する不満を知っています。数年後には、その寿命は急落します。同じ問題がEVにも発生しますが、規模が大きくなっています。
これは、バッテリーの一部が時間の経過とともに繰り返し充電および放電されるにつれて劣化するために起こります。
ベルギー、ドイツ、イタリア、スペイン、スイスの科学者は、リチウムイオンバッテリーの経年劣化に伴う変化を検出し、必要に応じてバッテリーの自己修復をトリガーするセンサーを設計するために協力しています。
その目的は、バッテリーの寿命を2倍にし、ひいてはEVの寿命を延ばすことです。
「その考えは、バッテリー寿命を延ばし、そのカーボンフットプリントを削減することです。なぜなら、同じバッテリーが自己修復できるため、全体として必要な資源が少なくなるからです。
今日、バッテリー管理システム(BMS)—バッテリーの頭脳—は、バッテリーが過熱して安全上の問題を引き起こさないように、バッテリーの電圧と温度を監視しています。
「現在、感知されているのは、一般的に温度、電圧、電流が非常に限られています。残りのエネルギーの利用可能性の見積もりを提供するだけでなく、安全性を確保しています」と、革新的な技術を開発するイノベーションセンターであるスイス電子マイクロテクノロジーセンター(CSEM)のエンジニアであるイヴ・ストーファー氏は述べています。ストーファー氏は、BMSの研究を主導しています。
PHOENIXチームは、高度なセンサーとトリガーを導入することで、さらに一歩進むことを目指しています。そのうちのいくつかは、バッテリーが膨張したときに検出し、他のものはヒートマップを生成し、一部は水素や一酸化炭素などの危険なガスを監視します。
これらのセンサーはすべて、バッテリーの健康状態に関する早期警告システムを提供します。
バッテリーの頭脳が修復が必要と判断した場合、修復が有効になります。これは、たとえば、バッテリーを元の形に戻したり、自己修復メカニズムをトリガーするためにターゲットを絞った熱を加えたりすることを意味する可能性があります。
「その考えは、熱処理の下で、いくつかのユニークな化学結合が跳ね返るということです」と、PHOENIXにも取り組んでいるCSEMのバッテリー化学者である劉蘇夫氏は述べています。
別の自己修復アプローチでは、充電中にバッテリー電極に形成され、短絡や故障を引き起こす可能性がある樹状突起—分岐した金属構造—を破壊するために磁場を使用します。
PHOENIXの研究者は、EVの航続距離を延ばし、バッテリーのサイズを小さくすることも目指しています。
「私たちは、より高いエネルギー密度を持つ次世代バッテリーを開発しようとしています」と劉蘇夫氏は述べています。これは、EVがより小さなバッテリーを必要とし、それによって軽量化され、1回の充電でより長く走行できるようになることを意味します。
1つの戦略は、鉛筆に使用されている材料であるグラファイトを、金属と非金属の中間に位置するシリコンに置き換えることです。
これは、今日の市販のバッテリーでは広く採用されていません。その理由の一部は、シリコンの安定性が低く、充電および放電中にその体積が最大300%膨張する可能性があると劉蘇夫氏は述べています。シリコンを内部に含める場合、バッテリーはこれらの劇的な変化に耐えるか、自己修復できなければなりません。
「私たちは、より高いエネルギー密度を持つ次世代バッテリーを開発しようとしています。
2025年3月には、新しい一連のセンサープロトタイプとトリガーが開発され、バッテリーポーチセル(柔軟で軽量で平らなリチウムイオンバッテリー)でのテストのためにパートナーに発送されました。
しかし、バッテリーにセンサーを搭載することは、その健康状態に関する情報を提供するのに役立ちますが、コストも増加します。したがって、チームは、EVのコストを正当化するのに十分なメリットを提供する技術を特定することに焦点を当てています。
どちらのアプローチが優勢になっても、将来のEVは、より長く持続し、より遠くまで走行できるようになり、より安全で、よりコンパクトで、資源集約度の低いバッテリーが実現します。
バッテリー寿命を延ばすことは、EVのカーボンフットプリントも削減し、消費者と環境の両方にとってウィンウィンの結果をもたらします。
「バッテリーの寿命を延ばし、EVに取り組むことはエキサイティングです」とツィーグラー氏は述べています。「それはすべて、部品をまとめることなのです。」