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標準的な電気自動車のバッテリーは、内部にニッケルの薄いシートを追加することで、わずか 10 分で航続距離のほとんどを充電できることが新しい研究で判明した。 これは、巨大で非常に高価なバッテリーパックを搭載する高価なEVに代わる、歓迎され経済的に魅力的な代替手段となる可能性がある。

より高速な充電オプションが利用可能で、EVの定価が大幅に下がる可能性があれば、消費者のEV恐怖症や「航続距離不安」に対する業界の定説が克服できるのではないかと一部の研究者は疑っている。

たとえば、充電に1時間必要な120キロワット時のパックを搭載した従来の長距離EVを、10分間の急速充電が可能な60キロワット時のパックを搭載したEVに置き換えて、同じような走行時間を維持することができます。長距離旅行。

「リチウムイオン電池は、電池材料を簡単に調整するだけで、高温でも非常に安定し、安全になります。[そして] 高温により急速充電機能が得られます。」—Chao-Yang Wang、ペンシルバニア州

新しい研究では、研究者らはフル充電時の航続距離がおよそ560キロメートルのリチウムイオン電池を実験した。 （バッテリーのエネルギー密度は 1 キログラムあたり 265 ワット時でした。）内部に極薄のニッケル箔を追加することで、約 400 km の航続距離を 11 分で 70 パーセント、12 分で 75 パーセントまで充電できました。航続距離は約440km。

「私たちの技術により、より小型で高速充電のバッテリーを、手頃な価格の電気自動車の大量導入に導入することが可能になります」と、この研究の主著者であり、ペンシルバニア州立大学のバッテリーエンジニアであるチャオヤン・ワン氏は述べています。 「1回の充電で200マイルを使い切ると、停車してトイレに行くことができ、10分後には車両が再充電され、さらに200マイルの走行が可能になります。そのため、航続距離の不安はありません。」

2016年、ワン氏らはリチウムイオン電池の内部にニッケル箔を追加して、電池を加熱し、極寒の中での性能を向上させた。 新しい研究では、同様にニッケル箔を使用してEVバッテリーを温め、性能を向上させた。これは、2021年に電動空飛ぶ自動車用バッテリーについても追求した戦略である。

「従来のリチウムイオン電池は人間が持ち運べる電子機器用に開発されているため、科学者や開発者は熱を非常に恐れています」とワン氏は言う。 「私たちはこの伝統的な考え方に反しました。」

バッテリーは高温ではありますが、熱すぎない方が最適に動作します。 バッテリーを常に正確に適切な温度に保つことは、バッテリーエンジニアにとって大きな課題でした。 これまでは、バッテリーの温度を制御するために外部の大型の加熱および冷却システムに依存していましたが、反応が遅く、多くのエネルギーを浪費していたとワン氏は言います。

「私たちの研究により、現在の技術水準が 3 倍向上しました。」—Chao-Yang Wang、ペンシルベニア州立大学

新しい研究では、科学者らはニッケル箔を使用して電池内部から電池温度を制御した。 「急速充電は 10 分間しか持続しないため、バッテリーを 1 分以内に非常に迅速に高温にする簡単な方法が必要でした」と Wang 氏は言います。 「私たちは、自己発熱バッテリーに関する以前の研究で、たまたま内部加熱フォイルを発明しました。」

全体として、「リチウムイオン電池は、電池材料を簡単に調整するだけで、高温でも非常に安定し、安全になる」ことがわかったとワン氏は言う。 これにより、「温度の上昇により急速充電機能が得られるという副次的利点を享受できる」。

このバッテリーは、75% まで充電した場合、走行距離約 402,000 km で 900 サイクル以上持続し、70% まで充電した場合、走行距離約 804,000 km (つまり 500,000 マイル) を約 2,000 サイクル以上持続しました。 つまり、この性能は、すべての充電が高速充電である場合の 50 万マイルの航続距離に相当すると彼らは言います。

科学者らは、彼らの研究は「10分間の充電で100マイルや150マイルの走行を主張する現在の電気自動車とはかなり異なる。なぜなら、これらの自動車の航続距離は通常600マイルであるため、150マイル分のエネルギーを充填することは本質的に25パーセントまで充電することに等しい。 」と王さんは言う。 「私たちの取り組みにより、現在の技術水準が 3 倍向上します。」

これらの発見は、米国最大の自動車市場であるカリフォルニア州が2035年までに内燃エンジンを実質的に廃止することを目指している中で得られたものである。新しい急速充電技術は、ほとんどのエネルギー密度の高いバッテリーで機能し、比較的小型のバッテリーで電気自動車の使用を可能にする。安価なバッテリーにもかかわらず、急速充電による航続距離の不安を避けることができる、とワン氏は言う。

ワン氏の研究室は新興企業EC Powerと提携して技術を開発した。 同社は現在、急速充電バッテリーの製造と商品化に取り組んでいる。

将来的には、「超高エネルギー密度バッテリーを 5 分で 80% まで充電できるようにしたいと考えています。これにより、消費者はガスを充填するのと同様の体験が得られるでしょう」と Wang 氏は言います。 「私たちはこの最終目標に向けた科学的基盤を築いたと信じています。残っているのは、より安定した材料と熱変調戦略を微調整することです。」

科学者らは研究結果の詳細を、10月12日にオンライン誌『Nature』に掲載した。