電気自動車の電池は何でできているのか.

ほとんどの電気自動車のバッテリーは、さまざまな量のリチウムイオン、コバルト、ニッケル、マンガン、シリコン、電解質でできています。その中には、正極と負極、セパレーター、電解質、正と負の電流コレクター（単三電池の平らな面と突起のある面を想像してください）で構成されるバッテリーセルがあります。しかし、それは正確に何を意味するのでしょうか？なぜリチウムなのか？どのイオンなのか？ご心配なく、電気自動車のバッテリーが何でできているのかを説明します。

まず、テスラバッテリーとシボレーボルトバッテリーはどちらもリチウムイオンバッテリーですが、同じように作られているわけではないことを理解しておきましょう。バッテリーの化学組成は、バッテリーパックの充電と放電の方法、熱の管理方法、バッテリーパックの各セルが蓄えることができるエネルギー量、各セルのコストに大きな影響を与えます。そのため、パナソニック、CATL、サムスンSDI、LGなどのバッテリーメーカーは、常に化学組成を微調整して最高の性能と最低コストを実現しようとしています。

ほとんどのメーカーのバッテリーセルの正確なレシピは公開されていません。各社が独自の配合を持っているからです。それでも、基本的な材料はほぼ同じなので、それらが何であり、何をするのかを分解してみましょう。まずはリチウムから。

リチウム

リチウムイオン（略して「Li-ion」）バッテリーのリチウムは、正極と負極、つまりバッテリーセルの正と負の側を構成します。リチウムイオンは、セルの正極側（カソード）内を移動し、負に帯電した電子を生成します。電子はバッテリーの負極側（アノード）に移動しようとしますが、カソードとアノードの間にあるセパレーターのために移動できません。これは、電子がバッテリーの正極側からデバイスを通して流れ出し、デバイスに電力を供給し、アノードに戻ることを意味します。

セル内のリチウムは純粋な元素リチウムではありません。他の元素との反応性が高すぎて安全ではないからです。代わりに、使用されるリチウムはリチウム金属酸化物の形で、混合物を安定化させます。ほとんどの場合、メーカーはバッテリーの正極側にリチウムコバルト酸化物、負極側にリチウム炭素化合物を使用しています。

コバルト

コバルトは、主に2つの理由でバッテリーに使用されます。まず、優れたエネルギー密度を提供します。つまり、バッテリーセルが使用するコバルトが多いほど（ある程度まで）、より多くの電気を蓄えることができます。もう1つの利点は、コバルトがバッテリーセルの熱安定性を高めることです。なぜ熱安定性が重要なのでしょうか？電気自動車の火災に関する関連する記事で、バッテリーが温度変化に対する反応性が低いほど、熱暴走を起こしにくく、消火が困難なリチウム火災を起こしにくいと指摘しました。

コバルトへの過度の依存には欠点があります。コバルトはレアアース元素と見なされており、その名前が示すように、あまり一般的ではありません。そのため、調達コストが高くなります。また、政治的および社会的不安定性が高い地域で発見される傾向があり、価格の急激な変動や、鉱山会社とその事業国の重大な人権侵害につながる可能性があります。

これらの問題から、バッテリーメーカーは化学組成におけるコバルトの量を減らそうとしています。彼らは、コバルトをニッケルで相殺しています。ニッケルはかなり安価で、あまり希少ではありませんが、それにも欠点があります。

ニッケル

ニッケルは、コバルトと同様に、セルのエネルギー密度を高めるためにバッテリーに使用されます。ただし、コバルトとは異なり、ニッケルを多く含むバッテリーセルは、カソードの表面にマイクロクラックが発生する可能性があります。これにより、ニッケルが少なく、コバルトが多いバッテリーよりも短い時間で性能が低下する可能性があります。

ニッケルを使用することには、まだ多くの利点があります。まず、ニッケルは1トンあたり約18,000ドルから21,000ドルで販売されています。一方、コバルトは通常1トンあたり30,000ドル以上で取引され、価格変動が大きくなっています。次に、性能低下の原因となるマイクロクラックは、カソード構造に「勾配」を使用することで軽減できます。これは、カソードの中心が主にニッケルであり、次に異なる性能特性を持つ他の金属がその上に層状に配置されていることを意味します。

マンガン

多くのバッテリー化学組成の3番目の主要成分はマンガンです。ニッケルとコバルトがリチウムと協力してエネルギー貯蔵を増加させる一方で、マンガンはすべてをまとめて安定させます。構造添加剤であり、ニッケルやコバルトよりも少ない割合で使用されます。

シリコン

シリコンは、エネルギー密度を高めるために、リチウムと炭素とともにアノードに使用されます。ニッケルとコバルトを使用してセルの正極側のエネルギー密度を高めると、それらの電子はEVのモーターを通過した後、行く場所が必要になります。シリコンは、安定していて安価で、グラファイトの約10倍の電子を保持できるため優れています。

電解質

バッテリーセルに電解質がないと、充電中に電子がアノードからカソードに移動する方法がなくなります。これは、バッテリー全体を機能させる秘密のソースです。電解質にはいくつかの種類があり、化学組成は複雑になる可能性がありますが、いくつかの異なるファミリーに分類されます。

水溶液は液体ですが、非水溶液はそうではありません。次に、イオン液体があります。これは、有機水溶液および非水溶液よりも温度安定性が高く、より優れた移動特性を備えています。次に、プラスチックを結合剤として使用するポリマー電解質があります。最後に、他のタイプのハイブリッドであるハイブリッド電解質があります。

セパレーター

セパレーターの主な役割は、カソードとアノードを分離することにより、セル内で短絡が発生するのを防ぐことです。セパレーターは通常、微孔性プラスチックでできており、カソードからアノードに直接電子が流れることを可能にします。これは自己放電として知られています。これは正常ですが、セルが熱くなりすぎると、セパレーターはセルの一種のヒューズとして機能します。セパレーターのプラスチックが溶けて、それらの微孔が閉じ、セルの片側をもう一方から完全に隔離し、厄介な火災を防ぐことを願っています。

エドマンズは言う

電気自動車のバッテリー内では、多くの高度な化学反応が起こっています。多くのEVバッテリーはレアアース金属に依存しているため、車両の最も高価な部分を構成しており、MSRPが高止まりしている理由の一部となっています。