電気自動車をより速く充電するには何が必要ですか?

より多くの EV を路上で走らせるために、科学者たちはガソリンスタンドで燃料を補給するのと同じ時間で車を充電できるように取り組んでいます。

レベッカ・ハイルワイル

電気自動車は、従来の内燃機関車よりも静かで、修理やメンテナンスが容易で、環境にもはるかに優れています。それでも、路上を走るEVの数は、充電時間のせいで、置き換えられるはずのクルマに後れを取っている。

ガソリンタンクへの給油には数分しかかかりませんが、EV の充電にはさらに時間がかかります。現在、消費者が利用できる最速の充電器（レベル 3 充電器とも呼ばれます）は、わずか 20 分で車両バッテリーを 80 パーセントまで充電できます。しかし、最も入手可能な (そして手頃な価格の) 充電器ははるかに遅いです。レベル 2 の充電器では車両の充電に数時間かかりますが、一般的な家庭用コンセントに差し込むレベル 1 の充電器では 2 日以上かかる場合があります。

こうした充電速度の遅さは、走行中にバッテリーの充電が切れてしまうのではないかという「航続距離不安」を悪化させるだけです。フォーブスホイールズが委託した2022年のOnePoll調査に参加した500人のEV所有者のうち50％以上が、頻繁または常にこの懸念を抱いていると述べた。ピート・ブティジェッジ運輸長官は、ドライバーが航続距離をそこまで気にするべきだという考えを押しとどめたが、EVの購入を検討している人にとっては依然として大きなハードルとなっている。そのことと、EVの需要が自動車メーカーの生産能力を上回っているという事実により、電動化への道が遅れる恐れがある。

大学、大手電気自動車メーカー、エネルギー省の科学者を含む科学者たちは、充電科学を限界まで推し進めれば、EVはより早く電源を投入できると考えている。彼らは、EVバッテリーの内部化学反応と充電ケーブルの設計を微調整することで、採用に対するこの大きな障壁を取り除くことができると主張している。課題は、安全性やバッテリーの長期寿命を損なうことなく充電を高速化することです。目標は、内燃機関車の燃料補給にかかる時間にできるだけ近づけることです。

ペンシルバニア州立大学の電池・エネルギー貯蔵技術センターの共同所長であるクリストファー・ラーン氏は、「電気化学の面では、まだ研究室にある革新的なものがたくさんある」と語る。「それらはより高価になる可能性があり、また異なる製造プロセスが必要になる可能性があります。必ずしも大規模に展開する準備ができているわけではありませんが、確かに多くの研究者がいくつかの興味深い結果をもたらしています。」

充電の根本的な課題は、バッテリーの電気化学にあります。バッテリーは、アノードとカソードの 2 つの電極を備えて設計されています。リチウムイオンはこれら 2 つの成分の間を流れます。バッテリーが放電して車に電力を供給すると、リチウムイオンがアノードからカソードに移動し、自由電子と電荷が生成されます。車両の充電時には逆のことが起こり、リチウムイオンがアノードに向かって押し戻されます。

問題は、バッテリー内部でリチウムイオンが重大な速度上昇に直面していることです。移動が速すぎると、スタックしてアノードに入ることができなくなります。リチウムイオンが捕捉されると、充電できるリチウムイオンが減少し、バッテリーの効率が低下します。さらに悪いことに、リチウムイオンが蓄積しすぎると、バッテリーがショートし、場合によってはバッテリー火災が発生する可能性があります。

「リチウムを移動させるのは、狭い部屋に 100 人を押し込むようなものであることがわかりました」と、アルゴンヌエネルギー貯蔵科学共同センター所長であり、イリノイ州エネルギー貯蔵研究共同センターの副所長でもあるヴェンカット・スリニバサン氏は言う。「小さなドアがあります。100人がその入り口になだれ込み始めるとします。全員がその入り口に閉じ込められるでしょう。」

現在、新しい電池の化学的性質を使用すると、電池セル内でのリチウムイオンの移動が容易になるのではないかと考える人もいます。アルゴンヌ大学では、研究者らは、リチウムイオンがバッテリー内を移動するために複数の経路を使用することが可能かどうか、そして本質的に混雑を軽減することが可能かどうかを研究している。課題は、これらの出入り口を顕微鏡レベルで設計することです、とスリニバサン氏は説明します。

もう1つのアイデアは、異なる電解質（バッテリー内でリチウムイオンを往復させるために使用される液体成分）、および新しい溶媒や添加剤を使用することで充電プロセスをスピードアップできるかどうかを調査することです。

もちろん、バッテリーの化学的性質を変更することは非常に困難なプロセスであり、広範なテストと検証が必要です。より簡単に実装できるアプローチには、バッテリーの充電時に管理するソフトウェアを更新することが含まれます。現時点では、バッテリーは定電流で充電されているため、バッテリーに燃料が補給されると充電速度が低下します。アイダホ国立研究所の研究者らは、より優れたバッテリーアルゴリズムにより、充電中にバッテリーに流れる電流を調整することで充電を高速化できると考えている。

「おそらく電流を低く保ち、バッテリーの充電状態が約 30% に達したら、電流を増やすことができます。その時点ではバッテリーの内部抵抗が低いからです」と、アイダホ国立研究所の上級スタッフ科学者であるタンビル・タニム氏は説明します。研究室。「フル充電に近づくと、再び充電量を減らします。」

未来的な充電コンセプトの中には、バッテリーを超えたものもあります。パデュー大学、機械工学教授イサム・ムダワール氏は、新しい冷却技術が EV 充電ケーブルをどのように改善できるかを研究しています。現時点で研究者らは、EVの高速充電には、現在の車両が処理できる量よりもはるかに多くのアンペア（電流の単位）を処理できる充電ケーブルが必要になると考えている。現在のほとんどの充電器は約 500 アンペアを供給できます。現時点では、これ以上電流を流すと過剰な熱が発生します。

しかし、以前にもフォード・モーターと協力したことのあるムダワル氏は、特別な冷却技術を使用して、それ以上のものを得るシステムを開発している。 2,400 アンペア - 1,400 アンペアの電流により、5 分間の EV 充電が可能になります。 Mudawar のシステムは、NASA で使用されている技術にルーツを持つ改良型の液体冷却剤を使用しています。このシステムは、純粋な液体冷却剤を使用するのではなく、気泡の形成を利用した過冷却沸騰の形式を使用します。

「電流が高くなるほど、より多くの熱が放散されます」とムダワール氏は説明します。「5 分間の充電を達成するために非常に高い電流について話している場合、内部で除去する必要がある熱の量は非常に多くなります。」

超高速 EV 充電には、実験室でのデモンストレーションが成功するだけでは不十分です。これらの未来的な充電コンセプトが機能するためには、ドライバーが移動中に簡単にアクセスできるように、最終的には大規模に製造する必要があります。バイデン政権は10年末までに全米に50万台のEV充電器を設置したいと考えているが、コバルトやニッケルなど重要な電池部品のサプライチェーンはすでに逼迫（ひっぱく）している。

そして、超急速充電が実際に主流になった場合、ブティジェッジ氏もすでに認めているように、送電網にも大幅なアップグレードが必要になるだろう。グリッドが一度に供給できる充電量には限界があるため、急速充電器を追加するには、その容量を処理できる機器が必要になります。現時点では、それは困難なプロセスであり、変圧器のような単純な機器でさえ入手に時間がかかる可能性があります。

しかし、超高速 EV 充電器は理想的にはガソリンポンプの動作を模倣しますが、ほとんどの充電器はそれほど高速に動作する必要はありません。最速の EV 充電器は、移動中や通常の日常生活から離れている人にのみ必要です。期待されているのは、低速充電器が、国内の自動車を充電し続け、国民の家やオフィスの駐車場にある自動車に燃料を補給するという重労働の多くを担ってくれることだ。

「私たち社会人全員が、ガソリンスタンドに行くのが好きだからではなく、AからBに移動するために車を運転しているということを覚えておく必要があります」と、アイダホ・ナショナル航空エネルギー貯蔵・先進交通部門の上級研究エンジニア、ティム・ペニントンは言う。研究室。「毎日10分間の充電は必要ありません。」

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レベッカ・ハイルワイルはテクノロジージャーナリストです。彼女はフォーチュン、フィラデルフィア・インクワイアラー、ヴォックスなどのメディアに寄稿しています。