充電式バッテリーの長寿命化の秘訣は、個々の特性の違いを受け入れることにあるのかもしれない。バッテリーパック内のリチウムイオン電池の劣化メカニズムを新たにモデル化することで、各電池の容量に合わせて充電方法を調整し、電気自動車用バッテリーの充電サイクル数を増やし、故障を防ぐ方法が明らかになった。

この研究は11月5日に発表された。IEEE制御システム技術論文集この図は、パック内の各セルに均一に電流を供給するのではなく、各セルに流れる電流の量を積極的に管理することで、摩耗を最小限に抑えることができることを示しています。このアプローチにより、各セルが本来の性能を最大限に発揮し、より長く使用できるようになります。

スタンフォード大学の教授で、この研究の主執筆者であるシモナ・オノリ氏によると、初期のシミュレーションでは、この新技術で管理されたバッテリーは、バッテリーに大きな負担をかける頻繁な急速充電を行った場合でも、少なくとも20％多くの充放電サイクルを処理できることが示唆されているという。

電気自動車用バッテリーの寿命を延ばすためのこれまでの取り組みのほとんどは、バッテリーパックの性能は鎖のリンクのように最も弱いセルによって決まるという前提に基づき、個々のセルの設計、材料、製造方法の改善に焦点を当ててきた。今回の新しい研究は、製造上の不完全さや、熱などのストレスにさらされた際に一部のセルが他のセルよりも早く劣化するため、弱いリンクは避けられないものの、それらがパック全体をダメにする必要はないという理解から始まる。重要なのは、各セルの固有の容量に合わせて充電速度を調整し、故障を防ぐことである。

「適切に対処しないと、セル間の不均一性がバッテリーパックの寿命、健全性、安全性を損ない、バッテリーパックの早期故障を引き起こす可能性があります」と、スタンフォード大学ドーア持続可能性大学院のエネルギー科学工学助教授であるオノリ氏は述べています。「私たちの手法は、パック内の各セルのエネルギーを均一化し、すべてのセルをバランスよく最終的な目標充電状態にすることで、パックの寿命を向上させます。」

100万マイル走行可能なバッテリーを開発するという発想から

この新たな研究のきっかけの一つは、電気自動車メーカーのテスラが2020年に発表した「100万マイルバッテリー」の開発に遡る。これは、古いスマートフォンやノートパソコンのリチウムイオン電池のように、バッテリーの充電量が不足して機能しなくなるまで、100万マイル以上（定期的な充電で）走行できるバッテリーのことである。

このようなバッテリーは、自動車メーカーが電気自動車用バッテリーに通常保証する8年または10万マイルの保証期間を上回るだろう。バッテリーパックは保証期間をはるかに超えて使用されることが多いが、高価なバッテリーパックの交換がさらに少なくなれば、電気自動車に対する消費者の信頼は高まる可能性がある。数千回の充電後も充電を維持できるバッテリーは、長距離トラックの電動化や、EVバッテリーが再生可能エネルギーを蓄電し電力網に供給するいわゆるV2G（Vehicle-to-Grid）システムの導入を促進する可能性もある。

「後に、100万マイルバッテリーのコンセプトは実際には新しい化学技術ではなく、バッテリーをフル充電範囲で使用せずに動作させる方法に過ぎないと説明されました」とオノリ氏は述べた。関連研究は、一般的にフルバッテリーパックほど充電容量が急速に低下しない単一のリチウムイオンセルに焦点を当てている。

興味をそそられたオノリは、彼女の研究室の2人の研究者、ポスドク研究員のヴァヒド・アジミと博士課程学生のアニルード・アラムと共に、既存のバッテリーの種類を独創的に管理することで、数百個または数千個のセルを含むバッテリーパック全体の性能と耐用年数を向上させる方法を調査することにした。

高忠実度バッテリーモデル

第一段階として、研究者たちはバッテリーの動作中に内部で起こる物理的および化学的変化を正確に再現する、高精度のコンピューターモデルを作成した。これらの変化の中には、数秒から数分で起こるものもあれば、数ヶ月、あるいは数年かけて起こるものもある。

「我々の知る限り、これまでに我々が作成したような高精度で複数の時間スケールに対応したバッテリーモデルを用いた研究は存在しない」と、スタンフォード大学エネルギー制御研究所所長のオノリ氏は述べた。

このモデルを用いたシミュレーションの結果、現代のバッテリーパックは、構成セル間の違いを活かすことで最適化および制御できることが示唆された。オノリ氏らは、このモデルが今後数年間で、既存の車両設計に容易に導入できるバッテリー管理システムの開発を導くために活用されることを期待している。

恩恵を受けるのは電気自動車だけではない。オノリ氏によれば、「バッテリーパックに大きな負荷をかける」あらゆる用途が、今回の研究結果に基づいたより良い管理の対象となる可能性があるという。例えば、電動垂直離着陸機（eVTOL）と呼ばれるドローン型航空機は、今後10年間でエアタクシーやその他の都市型航空モビリティサービスとして運用されることが期待されている。さらに、充電式リチウムイオン電池には、一般航空や再生可能エネルギーの大規模貯蔵など、他にも多くの用途が期待されている。

「リチウムイオン電池はすでに多くの面で世界を変えてきました」とオノリ氏は述べた。「この革新的な技術とその後継技術から、可能な限り多くの恩恵を引き出すことが重要です。」