リチウムイオン電池は、そのエネルギー密度と性能から、現代の電気自動車における主要なエネルギー貯蔵ソリューションとなっています。
エネルギー貯蔵システムは、電気自動車（EV）、プラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）、およびハイブリッド電気自動車（HEV）の中核をなすものです。 主に、これらのエネルギー貯蔵システムはバッテリーの形をとっており、電気モーターへの電力供給と、持続可能な輸送への移行を可能にするために不可欠です。 電気自動車に使用されるさまざまな種類のバッテリー、それらの長所と短所、そしてバッテリーのリサイクルの重要な側面を理解することは、EV革命に関心のあるすべての人にとって不可欠です。
電気自動車におけるエネルギー貯蔵システムの探求
電気自動車は、さまざまなエネルギー貯蔵技術を採用しており、それぞれが車両の性能、航続距離、およびコストに影響を与える独自の特徴を持っています。 今日、電気自動車市場を牽引している主なバッテリーの種類を掘り下げてみましょう。
リチウムイオン電池：電気自動車の現在の標準
リチウムイオン電池は、スマートフォンやラップトップなどの携帯電子機器での普及を反映して、電気自動車の主要なエネルギー貯蔵ソリューションとなっています。 その人気の理由は、高いエネルギー密度、つまり重量とサイズに対して大量のエネルギーを貯蔵できることにあります。 この効率は、電気自動車の航続距離の延長につながります。 さらに、リチウムイオン電池は、高い出力重量比を誇り、素早い加速を可能にし、優れた高温性能と長い寿命を示します。 また、自己放電率が低いため、使用しないときでも充電をしっかりと保持します。
リチウムイオン電池のほとんどの部品はリサイクル可能ですが、材料回収の経済的実現可能性は、業界にとって依然として進行中の課題です。 電気自動車のリチウムイオン電池の特定の化学組成は、自動車用途の厳しい要件に合わせて調整されており、家電製品のリチウムイオン電池とは異なることがよくあります。 現在進行中の研究開発努力は、電気自動車用リチウムイオン電池のコスト削減、寿命のさらなる延長、コバルトなどの重要材料の使用量最小化、およびさまざまな動作条件下での安全性の向上に焦点を当てています。 これらの進歩は、電気自動車をより手頃な価格にし、より幅広い層が利用できるようにするために不可欠です。
ニッケル水素電池：ハイブリッド車向けの信頼性の高い代替品
ニッケル水素（Ni-MH）電池は、電気自動車、特にハイブリッド電気自動車（HEV）で使用されるもう1つのタイプの電池技術です。 コンピューターおよび医療機器での実績のあるNi-MH電池は、比エネルギーと出力能力のバランスが優れています。 鉛蓄電池よりも長いサイクル寿命で知られており、安全で乱用にも強いと考えられています。 この信頼性により、長年にわたってHEVの一般的な選択肢となっています。
ただし、ニッケル水素電池には欠点もあります。 鉛蓄電池オプションよりも高価であり、自己放電率が高くなっています。 高温での発熱と水素損失の管理の必要性も、電気自動車での設計と応用における考慮事項です。
鉛蓄電池：主にEVの補助システム用
成熟した広く理解されている技術である鉛蓄電池は、安価で安全、かつ容易にリサイクルできるという利点があります。 また、高出力用に設計することもできます。 しかし、比エネルギーが低く、貯蔵するエネルギー量に対して重量が重く、低温での性能が低く、寿命が限られているため、電気自動車の主要なエネルギー貯蔵としての使用は制限されています。
高度な高出力鉛蓄電池が開発中ですが、現在の電気自動車の状況では、主に補助負荷に使用されています。 これは、メインの電気モーターではなく、照明、インフォテインメント、およびその他の車両電子機器などのシステムに電力を供給することを意味します。 鉛蓄電池は、アイドリングをなくして燃料効率を向上させるストップスタートシステム用の内燃機関車にも一般的に使用されています。
ウルトラキャパシタ：性能向上と回生ブレーキ
ウルトラキャパシタは、電気自動車におけるエネルギー貯蔵への異なるアプローチを表しています。 化学反応の代わりに、電極と電解質間の界面に静電的にエネルギーを蓄えます。 これらのコンポーネント間の表面積が大きいほど、エネルギー貯蔵容量が大きくなります。 ウルトラキャパシタは、バッテリーと比較してエネルギー密度は低いものの、その決定的な特徴は、非常に高い出力密度です。 これにより、非常に短い時間で大電力を供給できます。
電気自動車では、ウルトラキャパシタは、加速時や上り坂走行時に追加の電力を供給することでバッテリーを補完できます。 また、回生ブレーキ中にエネルギーを捕捉および放出するのにも非常に効果的で、エネルギー効率を高めます。 さらに、ウルトラキャパシタは、二次エネルギー貯蔵デバイスとして機能し、電気化学バッテリーへの電力需要を平準化し、バッテリー寿命を延ばし、システム全体の性能を向上させる可能性があります。
電気自動車バッテリーのリサイクルの重要な重要性
電気自動車市場は、特に米国などの地域では比較的新しいため、大量の寿命末期の電気自動車バッテリーはまだ到来していません。 しかし、EVの普及が加速するにつれて、堅牢で効率的なバッテリーリサイクルインフラストラクチャを確立することがますます重要になっています。
調査によると、電気自動車のバッテリーは、故障や損傷が発生していない限り、車両での最初の寿命の終わりでも、初期容量の大部分、多くの場合70％以上を保持できることが示されています。 この残りの容量は、要求の少ないエネルギー貯蔵アプリケーションには十分すぎるほどであり、これらのバッテリーにさらに10年以上の潜在的な第二の寿命を与えます。 寿命末期の電気自動車バッテリーを、グリッド用の固定エネルギー貯蔵やバックアップ電源システムなどのセカンドユースアプリケーションに再利用することは、技術的に実行可能であり、環境に配慮した方法です。
フォークリフト、ポータブルデバイスへの電力供給、またはディーゼル発電機の交換などのニッチなアプリケーションは、セカンドライフバッテリーの実行可能なビジネスケースを提供しますが、大規模なセカンドライフバッテリー展開のより広範な経済的実現可能性は、まだ開発中です。 寿命末期の電気自動車バッテリーの取得、輸送、評価、および再利用に関連するコスト、統合および認証コストとともに、慎重に検討する必要があります。
電気自動車バッテリーの広範なリサイクルは、環境の持続可能性にとって不可欠です。 バッテリーの寿命末期と製造プロセスの両方で、有害物質が埋め立て地に侵入するのを防ぎます。 さらに、バッテリーリサイクルは、貴重な材料を回収し、サプライチェーンに再導入し、バージン資源への依存を減らすための道筋を提供します。 米国エネルギー省のリチウムイオンバッテリーリサイクル賞などのイニシアチブは、費用対効果が高く効率的なバッテリーリサイクルソリューションの革新を推進しています。
現在、電気自動車で使用されるリチウムイオンバッテリーから貴重な材料をリサイクルするために、3つの主要な技術が開発および商業化されています。
- 溶錬（乾式冶金）： この高温熱処理プロセスは、炉内でバッテリーから金属と中間塩を抽出します。 溶錬施設は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池など、さまざまな種類のバッテリーを処理できます。 有機材料は燃料として燃焼され、貴重な金属が回収されます。 ただし、溶錬はエネルギー集約型です。
- 化学浸出（湿式冶金）： この方法は、化学溶液を使用して、バッテリー材料からリチウムを含む主要な化合物を溶解および抽出します。 湿式冶金は、正極前駆体を製造する際の柔軟性を提供し、大きな投資を集めており、新しいリサイクル施設が稼働しています。
- 直接リサイクル： この有望なアプローチは、正極材料を構成金属に分解するのではなく、分子構造を維持したまま直接回収することを目的としています。 直接リサイクルは、エネルギー集約型の溶錬または化学浸出ステップを排除することにより、経済的および環境的に最も有益な方法となる可能性があります。
「ブラックマス」を作成するための分解、破砕、分離を含む機械的処理プロセスは、すべてのバッテリーリサイクル技術における重要な予備ステップです。 ただし、さまざまなバッテリー材料を分離することは、依然として大きな課題です。 したがって、電気自動車の長期的な持続可能性のためには、分解とリサイクルを念頭に置いて電気自動車のバッテリーを設計することが重要です。 バッテリーの形式、材料、およびセル設計を標準化することも、リサイクルを大幅に簡素化し、コストを削減します。
詳細については、レポートを参照してください：使用済みEVバッテリーの定置型アプリケーションへの適用に関する技術的および経済的実現可能性。
電気自動車バッテリー技術の詳細
電気自動車用バッテリーの研究開発をより深く掘り下げるには、国立再生可能エネルギー研究所のエネルギー貯蔵ページと米国エネルギー省車両技術局のバッテリーページをご覧ください。
