リチウムイオンバッテリーはどのように電気自動車を復活させたのか?
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リチウムイオン電池は、高いエネルギー密度と低下しつつあるコストによって電気自動車の一世紀にわたる航続距離と重量の問題を解決し、現代の電気自動車を技術的に可能にした電池化学である.本稿では、1890年代から1991年までの物語と、この革命が自動車をどのように再形成したかを語る.
注目ポイント
- 1900年のアメリカの自動車の 28%が電気自動車だった.競争を制したのはガソリン車だった.
- 最初の商用リチウムイオン電池は 1991年にソニー によって販売開始された.
- リチウムイオン電池のコストはkWhあたり 約9,200ドルから78ドルに 下がった.
- Tesla Roadster (2008): 393 km のEPA航続距離、0-100 km/h 3.9秒.
電気自動車は実はガソリン車より先に始まっていたのか?
多くの読者が思わないのとは裏腹に、答えはイエスだ.電気自動車の歴史は内燃機関とほぼ同時代に始まり、最初の半世紀において電気は決して周辺的な技術ではなかった.1827年から1828年にかけて、ハンガリーの司祭Ányos Jedlikが最初の電動機を作り、小さな模型自動車を走らせた.1832年から1839年にかけて、スコットランドのRobert Andersonが粗末な電気自動車を開発した.しかし、ガルバニックセルはまだ充電できず、つまり車両は使い捨てのエネルギー貯蔵体で動いていた.1837年、Robert Davidsonはアバディーンで最初の電気機関車のプロトタイプを作り、1841年の拡大版 Galvaniは、6トンの荷物を時速4マイルで1.5マイル牽引した.鉄道労働者たちは失業への恐れからこの機械を破壊した.技術が直面した最初の抵抗は、これほど早い時期にあったのだ.
転換点は1859年に訪れた.Gaston Plantéの鉛酸電池は、車両に充電可能なエネルギー貯蔵を初めて可能にした.この化学は非常に堅牢で、今日でも内燃機関車のバッテリーに使用され続けている.Thomas Parkerは1884年頃、イギリスで電気トラムを導入し、電気自動車のプロトタイプを製作した.
MorrisonからJenatzyへ:最初の黄金期
アメリカ側の基準点はWilliam Morrisonである.1890年、アイオワ州デモインで自身の電気自動車の特許を出願した.この車両は前輪駆動で、4馬力を発生し、時速20マイルで走行し、24個の電池セルで50マイル走ると充電を必要とした.1893年のシカゴ万国博覧会で大反響を呼んだ.フィラデルフィアでは、SalomとMorrisが1894年に Electrobat の特許を取得した.1896年には2基の1.1 kWモーターで25マイルの航続距離を実現し、同年、ガソリン車のDuryea自動車との5マイルスプリントレースに勝利した.
数字は初期時代の人気を明確に示している.1900年のアメリカで走っていた自動車の28%が電気自動車だった.最初の自動車ショーに出品された160台のうち3分の1が電気自動車だった.都市部での利用において電気には真の利点があった.静かで、清潔で、鍵を回せば動き、ほとんど故障しなかった.1899年、Camille Jenatzyは、2基の25 kWモーターを搭載しパルチニウム・アルミ合金の車体を持つ La Jamais Contente 100 km/hと60 mphの壁を破った最初の人物となった.ニューヨークではElectric Vehicle Companyがバッテリー交換ステーションを活用して600台以上の電気自動車タクシーを運行した.ロンドンでは1897年に最初の電気タクシーサービスが設立されていた.
なぜガソリンが勝ったのか?電動とガソリンの競争の解剖学
電気自動車の最初の敗北は性能の敗北ではなく、エンジニアリング経済の敗北だった.障害となった要因は4つあり、そのすべてが測定可能だった:
- コスト:電気自動車はほぼガソリン車の2倍の価格で、贅沢品とみなされていた.1908年にFord Model Tが850ドルだったのに対し、電気自動車の大半は少なくとも2倍の価格で販売されていた.1923年にModel Tが300ドルを下回ると、多くの電気自動車はその10倍の価格になった.
- 航続距離とエネルギー貯蔵:予備のガソリン缶は予備のバッテリーよりはるかに軽かった.問題の本質はまさにこの質量比だった.
- インフラ:電力のない農村地域には充電手段がなかった.一方ガソリンはどこでも販売可能な貯蔵エネルギーだった.
- 始動:1912年、Charles Ketteringの電動スターターモーター(初代Cadillacに搭載)がクランクハンドルを不要にし、電気自動車の基本的な使いやすさの利点を消し去った.
一言でまとめれば、鉛酸バッテリーのエネルギー密度は自動車の質量と航続距離の要求を満たせなかった. それでもDetroit Electricは1907年から1939年の間に35,000台以上の車両を生産できた.Henry Fordの妻Clara Fordは1908年から1914年までDetroit Electricを使用していた.イギリスでは電気牛乳配達車両である「ミルクフロート」が1980年代まで運行され、同国は20世紀の大半において世界最大の電気道路車両ユーザーだった.しかし、これらは狭い用途に特化した車両であり、汎用の自動車ではなかった.
20世紀の中間的試み:バッテリーが重いほど行き詰まる
1920年代以降、電気自動車は周辺化したが完全には消滅しなかった.問題が常にバッテリーにあったことは、試みのたびに改めて証明された.日本では1947年の Tamaが、鉛酸バッテリーで20 mphの速度と40マイルの航続距離でタクシー業務を行った. Henney Kilowatt (1959年〜1960年)は電圧を36 Vから72 Vに引き上げ、60 mphの速度と60マイルの航続距離に達した.それでも生産されたシャーシは約100台のみで、販売されたのは47台だった.
GMの Electrovair II 実験(1966年)は状況の深刻さを示すデータポイントである.銀亜鉛バッテリー、532 Vのシステム電圧、115 hp、40〜80マイルの航続距離.しかしバッテリーはわずか100回の充電サイクルしか持ちこたえられず、パッケージは当時の貨幣価値で160,000ドルの費用がかかった.1971年〜72年の月面探査車(LRV)は別の目標、すなわち究極の信頼性に奉仕した.GM Delcoのモーターと非充電式の銀亜鉛バッテリーを備え、コストは3,800万ドルだった.1973年のOPEC禁輸措置の後、関心が再び高まった.1974年に販売開始された Citicar は2.5 hpと約25 mphで控えめだったが、合計4,444台の生産により、2013年まで第二次世界大戦後のアメリカ最大の電気自動車メーカーとなった.1977年のGM Electrovette プロトタイプは鉛蓄電池を使用し、時速30マイルで50マイル走行できましたが、ガソリン価格の予想が外れたためお蔵入りとなりました.
GM EV1: バッテリー問題に早くから直面した車
1990年代のカリフォルニア州のゼロエミッション車義務化は、現代における最初の本格的な自動車メーカー製EVを生み出しました.GMはImpactコンセプトから量産化へと移行し、 EV1 のリースを1996~97年に開始しました.リース車両は1997年に顧客へ引き渡され、合計約1,000台がリースされました.初期モデルは鉛蓄電池を搭載し、後に登場したニッケル水素(NiMH)バッテリー搭載版は70~160マイルの航続距離を提供しました - 当時の化学としては目覚ましい躍進でしたが、十分ではありませんでした.
最後の車両は1999年に製造されました.GMは2003年に製造コストの高さと市場の小ささを理由にプログラムを中止し、リース契約を終了させ、車両を回収して大半を廃棄しました.市民の抗議活動が起こり、Francis Ford Coppolaは自車を手元に残せた数少ない人物の一人でした.EV1の終焉が何によって決定されたのかは、今日でも議論されています.一般的な説明はコストと市場規模を強調しますが、別の見解では、GMの1992年の財政危機と経営陣の交代(Jack SmithのCEO就任)に焦点を当てます.共通するのは、鉛蓄電池とNiMHの化学反応は、自動車を収益的かつ実用的にするエネルギー密度に達しなかったということです.欠けていたピースはリチウムイオンでした.
リチウムイオン革命はどのように始まったのか?
リチウムイオンバッテリーの基礎研究は1970年代に発表され、John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham、Akira Yoshinoはこの研究により2019年のノーベル化学賞を共同受賞しました.商業的な突破口は1991年に訪れました.SonyがYoshinoの設計を用いて世界初の充電式リチウムイオンバッテリーの製造・販売を開始したのです - 「リチウムイオン」という名前もこの製品から生まれました.バッテリーはまずカメラに、その後他の家電製品に搭載されました.電気自動車はまだ実現していませんでしたが、それを可能にするエネルギー貯蔵装置が量産段階に入ったのです.
初期の数値は、この技術がなぜ優位に立ったのかを数字で説明しています.最初の商用セルは体積エネルギー密度約200Wh/Lを提供し、同時代のシステムのほぼ2倍でした.重量あたりの密度は100~120Wh/kgから300Wh/kg超へと上昇し、発売以来の3十年で体積密度は3倍になりました.最も印象的なのはコストの曲線です.リチウムイオンバッテリーは1kWhあたり約9,200ドルから78ドルまで下落しました - 99%超の低下です.技術移行の多くは性能向上かコスト低下のどちらか一方を提供しますが、リチウムイオンは両方を同時に実現し、これが自動車を変革するのに十分でした.
| 指標 | 1991年(最初の商用セル) | 数十年後 |
|---|---|---|
| コスト(1kWhあたり) | 約9,200ドル | 78ドル |
| 体積エネルギー密度 | 約200Wh/L | 3倍に上昇 |
| 重量あたりの密度 | 100~120Wh/kg | 300Wh/kg超 |
| 初の高速道路走行が合法なEVユーザー | Nissan Altra EV (1998) | |
研究室から自動車へ: tzeroからTesla Roadsterへと続く系譜
家電用リチウムイオンクセルが入手可能になったとき、自動車エンジニアはそれに最初に気づいた人たちでした.1997年、Alan CocconiのAC Propulsion社が tzeroを発表しました.150 kW (201 hp)、鉛蓄電池搭載です.Martin Eberhardはリチウムイオンバージョンのtzeroを注文しました.その結果は0-60 mph 3.7秒でしたが、推定コストは220,000ドルでした.このプロトタイプは、低生産台数ながら高価格のリチウムイオンスポーツカーに市場性があることの証明でした.
2003年にEberhardとMarc TarpenningはTesla Motorsを設立しました.Elon MuskはまずAC Propulsionに生産を説得しようとし、その後Teslaに投資しました.2008年に Tesla Roadster の生産が開始されました.リチウムイオンバッテリーを使用した世界初の量産電気スポーツカーです.初代はAC Propulsionライセンスのパワーシステムを使用し、Lotus Eliseのコンポーネントをベースに構築されていました.技術仕様は以下の通りです:
- EPA航続距離: 244マイル (393 km) - 200マイルの航続距離を示した最初の量産車のひとつ.
- 0-100 km/h: 3.9秒; 288 hp.
- パッケージ: 53 kWh リチウムイオン.
- 生産台数: 2008年から2012年の間に2,400台以上.2010年価格は109,000ドル.
- 耐久性: 平均的なパッケージは100,000マイル走行後に初期容量の80-85%を維持すると予想されていました.
Roadsterの真の貢献は技術ではなく、証明でした.リチウムイオンパッケージで、実際の航続距離、実際のパフォーマンス、そして妥当なバッテリー寿命が同じ車に共存できるということです.2011年、Nissan Leafは専用プラットフォームを持つ最初の大手メーカーEVとして、24.0 kWhのリチウムイオンパッケージで登場し、2018年1月には販売台数30万台を超え、史上最も売れたフル電気自動車となりました.この記録は後にTesla Model 3が奪いました.EV1から残されたエンジニアリングの経験は、Chevrolet VoltとBoltの系譜に受け継がれました.
変革は今日どこまで進んでいるのか?
リチウムイオンが自動車産業を再構築したその規模は、数値で見れば明らかです.2020年末までに轻型プラグイン電気自動車の累計販売台数は1,000万台を突破しました.コスト曲線は下がり続けており、バッテリーパックの価格は2026年までに約80ドル/kWhまで下落すると予測されています.2025年には、LFP系のパックが他の化学系統と比べてkWhあたり平均40%以上安くなっています.革命の第一章を書いたのはリチウムイオンでした.次の章が固体電池(ソリッドステートバッテリー)によって書かれるかどうかは、公開された工学上の問いとして立っています.
結論:ハードウェアの革命はどのように市場の革命を可能にしたのか?
電気自動車は1900年に市場シェアを持っていましたが、そのバッテリーはシェアを維持できませんでした.GMはEV1という製品を生み出しましたが、そのバッテリーは採算性を支えられませんでした.リチウムイオンはこの二つのハードルを両方とも超えました.エネルギー密度が航続距離を、コスト曲線が価格を解決したのです.テスラ・ロードスターは、この二つの曲線が交差した最初の自動車でした.今日の1,000万台規模の車両群は、1991年にカメラのバッテリーから始まった連鎖の延長線上にあります.ハードウェアが整い、市場がそれに続きました.順序は常にこの方向であり、その逆は一度もありませんでした.