徹底検証：バッテリーの観点から見た新エネルギー車の急速充電はどこへ向かうのか？

1. さまざまな技術ルートによるバッテリーの急速充電の傾向

電気自動車を使用する際、消費者が最も気にするのは充電時間と航続距離の問題です。現在の技術レベルでは、充電時間と航続距離を両立することは困難です。そのため、動力電池には2つのルートが開発されました。 1つは航続距離に重点を置いたエネルギー特化派で、主にリチウムイオン電池のエネルギー特化容量を継続的に向上させることで電気自動車の航続距離を延ばすものです。 2つ目は充電時間の短縮に重点を置いた急速充電派で、主にリチウムイオン電池の急速充電性能を向上させることで電気自動車の充電時間を短縮します。技術の進歩とリチウム電池材料の徹底的な研究により、急速充電技術がかつて直面した困難は一つずつ解決されるかもしれません。

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「詳細なコメントと質問」は、Autohome が業界ユーザー向けに作成した最初のコラムです。これは自動車業界のベテラン実務家によって書かれており、主要な業界イベントを独占的に分析/明らかにしています。生き生きとした姿に加え、物事の本質、因果関係、将来の可能性などについての私たちの探究や思考を皆様にご紹介したいと思います。

今回の業界コメンテーターは、新エネルギー自動車産業チェーンにおける投資、合併・買収、投資後の管理に焦点を当てた独立コメンテーター兼投資家の石晨星氏です。彼は現在、東旭グループの徐江科技のゼネラルマネージャーを務めています。

全文を30秒で読んでください:

●各方面からの意見を踏まえ、1.6C未満の充電を低速充電、1.6C～3Cを低速急速充電、3C以上を急速充電と定義します。
●異なる技術ルートの急速充電パワーバッテリーにはそれぞれ長所と短所があり、さまざまな新エネルギー製品に適しています。
●三元系急速充電電池は乗用車に適しており、チタン酸リチウムなどはバスに適しており、チタンニオブ酸化物は急速充電の新たな方向性となる可能性があります。
●現在、急速充電バッテリーは主に旅客バス分野で使用されています。今後、急速充電動力電池の消費構造は、実用車や特殊物流車両へと移行するでしょう。

1. 急速充電についてどのように理解すればよいですか?

急速充電を理解するには、専門用語である「充放電率 C」を無視することはできません。これは、簡単に言えば、充電と放電の速度です。リチウムイオン電池の充電および放電速度によって、一定量のエネルギーを電池にどれだけ速く蓄えられるか、または電池内のエネルギーをどれだけ速く放出できるかが決まります。

2018年の新エネルギー自動車補助金政策によると、充電率が3C未満のものは非急速充電純電気バスに分類され、充電率が3Cを超えるもの（含む）は急速充電純電気バスに分類されます。しかし、急速充電への補助金は新エネルギーバスのみに適用され、乗用車や物流車両に対する基準はない。

業界とCATLの定義によれば、電気自動車の急速充電とは、充電電流が1.6Cを超える充電方法を指し、0%から80%までの充電時間は30分未満であることを意味します。著者は、各方面からの意見を踏まえ、1.6C未満の充電速度は低速充電、1.6C～3Cは低速急速充電、3C以上は急速充電と提案しています。ほとんどの電気乗用車は「小型急速充電」を実現できますが、急速充電バスの充電速度は主に3C～5Cに集中しています。

リチウムイオン電池をロッキングチェアに例えると、ロッキングチェアの両端が電池の両極となり、リチウムイオンはロッキングチェアの両端の間を行ったり来たり走り回る優秀なアスリートのようになります。充電すると、電池の正極でリチウムイオンが発生し、発生したリチウムイオンは電解液を通って負極に移動します。負極として用いられる炭素は層状構造をしており、負極に到達したリチウムイオンが埋め込まれるための微細孔を多数有しています。埋め込まれたリチウムイオンが多いほど、充電容量が高くなります。

急速充電時には、リチウムイオンを加速して瞬時に負極に埋め込む必要があります。これは、負極がリチウムイオンを素早く受け入れる能力に大きな課題をもたらします。通常の化学システムを使用したバッテリーでは、急速充電中に負極で副産物が生成され、バッテリーのサイクルと安定性に影響を与えます。エネルギー密度と電力密度は、同じバッテリー内で相互に排他的な 2 つの側面であると言えます。

国家政策の方向性であれ、企業の技術レイアウトであれ、一般的には高エネルギー密度が追求されています。動力バッテリーのエネルギー密度が十分に高く、いわゆる「航続距離不安」を回避するのに十分な電力が車に積まれると、急速充電の需要は減少します。しかし、コストが下がらなければ、市場に大量の電力を受け入れることは難しくなるだろう。そのため、バッテリーコストを抑えながら、便利な充電機能＋適切な走行距離を実現できれば、ユーザーの不安を大幅に軽減でき、急速充電の価値が高まります。

2. さまざまな技術ルートによるバッテリーの急速充電の応用展望

充電速度は、動力電池、充電スタンド、電気自動車、電力網などの全体的な技術および設計要件と密接に関係していますが、その中で最も大きな影響要因は依然として電池です。急速充電技術の方向における、さまざまな種類の電源バッテリーの応用動向について具体的に説明しましょう。ほぼすべての正極材料を急速充電バッテリーの製造に使用できますが、その適用性や長所と短所はさまざまです。

1. 三元系急速充電バッテリーは電気乗用車に適している

三元電池はエネルギー密度が高いため、より高く評価されています。材料自体は導電性に優れていますが、反応活性が高すぎるため、急速充電の安全性に大きな課題が生じます。

三元電池急速充電システムの代表的企業としては、CATL、BYDなどが挙げられる。CATLは「超伝導電子グリッド」と「高速イオンリング」技術を開発しており、15分で5%から85%のSOC充電が可能で、エネルギー密度は190Wh/kg、サイクル寿命は2,500回以上となっている。主な適用分野は乗用車で、2018年内に量産体制を整える予定。

BYDが今年5月に新発売した3.0高エネルギーセルは、シリコン系負極材、高ニッケル正極材、特別開発の電解質の導入により、エネルギー密度が約250Wh/kgとなり、500キロメートルの超長距離走行が可能となった。充電戦略の設計により、充電時間を効果的に短縮し、充電効率を向上させることができます。極度の緊急モードでは、10 分間の充電で 60 キロメートルの走行が可能となります。

燃料車の使用習慣によると、10〜20分以内にフル充電を達成するには、充電速度は少なくとも3〜6Cである必要があります。現在、市場に出回っている純電気乗用車のほとんどは、30分から1時間で80％まで完全に充電できます。これは、従来の2〜3時間の充電時間に比べて大幅に改善されています。今後はさらに20分以内に短縮される見込みです。

2. リン酸鉄リチウム急速充電は乗用車と商用車の両方で利用可能

リン酸鉄リチウムは、急速充電の分野では本質的な利点を持っていません。材料の観点から見ると、リン酸鉄リチウム材料の固有導電率は比較的低く、三元材料のわずか 1% です。急速充電のニーズを満たすには、リン酸鉄リチウム材料の導電性を最適化する必要があります。しかし、リン酸鉄リチウムの材料コストは比較的低いです。成熟した技術的背景と安定した製品性能を組み合わせることで、より幅広い応用の見通しが得られます。代表的な企業としてはCATL、Watmaなどが挙げられます。

理論的なエネルギー密度の極限値によって制限されているため、リン酸鉄リチウムは、将来的にエネルギー密度の面ではあまり活躍する余地がありません。しかし、すでにリン酸鉄リチウム系を採用しているバスや物流車両、特殊車両などの商用車では、エネルギー密度の向上は必要なく、急速充電の重要性が高まっています。

2.急速充電製品の市場状況と展望

3. マンガン酸リチウム電池はプラグインハイブリッドバスに適している

リチウムマンガン酸化物電池は、優れた電力性能、放電率性能、低温性能、高電圧周波数などの特性を備えています。さらに、三元系材料の上流原料価格の高騰により、リチウムマンガン酸化物のコスト優位性が徐々に明らかになりつつあります。しかし、エネルギー密度や高温性能などには、まだ改善の余地があります。近年、プラグインハイブリッドバスの分野では、リチウムマンガン酸化物急速充電電池の比率が大幅に増加しており、代表的な企業としては、CITIC国安蒙古、易鵬新能源、微底動力などがあります。

しかし、リチウムマンガン酸化物電池のサイクル性能は高温条件下では劣ります。リチウムマンガン酸化物電池の高温性能は正極ドーピングによって向上できますが、改質されたリチウムマンガン酸化物材料はもはや「元のリチウムマンガン酸化物」ではありません。業界では「マルチ複合材料」が一般的に使用されています。正極には三元系材料とリチウムマンガン酸化物の混合システムを採用し、負極には多孔質複合炭素を採用して急速充電性能をさらに向上させていますが、安全性には依然として重点を置き、継続的に改善する必要があります。

4. チタン酸リチウム急速充電バッテリーは純粋な電気バスに適しています

チタン酸リチウム電池は、負極材料にちなんで命名されています。正極には三元系材料が使用されています。珠海銀龍、マイクロバストパワー、天津傑威などが代表的な企業です。性能面では、チタン酸リチウム電池は低温性能に優れ、安全性とリサイクル性能も良好で、急速充電電池としてのレート性能も業界で認められています。しかし、チタン酸リチウムには現在、2 つの大きな問題があります。1 つ目は、エネルギー密度が比較的低いことです。エネルギー密度の継続的な向上を求める政策と市場の圧力により、現在のパワーバッテリー市場全体におけるチタン酸リチウムの市場シェアは比較的低いです。第二に、チタン、ニッケル、コバルトなどの小さな金属材料のコストが高いため、チタン酸リチウム電池のコストは他のシステムよりも大幅に高くなります。

チタン酸リチウム電池は、サイクル寿命の点で他の急速充電電池よりも大幅に優れています。これは、材料自体の特性、つまり「ゼロ歪み」特性によるものです。しかし、その欠点は明らかです。エネルギー密度は低く、三元系の半分程度しかありません。また、価格も比較的高く、現在は急速充電バスなどでの利用が中心となっている。今後、この欠陥を解決するために、より高電圧の正極材料とそれに適合する電解質を見つけることが急務となっています。

5. 急速充電の新たな方向性 - チタンニオブ酸化物負極材料

チタンニオブ酸化物はチタン酸リチウムをベースに開発されています。その主な利点は、チタン酸リチウムの理論容量が 175 mAh/g であるのに対し、チタンニオブ酸化物の理論容量は約 280 mAh/g であることです。

東芝は2017年10月、新世代の車載用リチウムイオン電池の開発に成功したことを公式に発表した。この電池は2019年に商品化される予定だ。この電池はチタンニオブ酸化物材料を使用しており、現在の三元系、リン酸鉄リチウムなどの技術と比較すると画期的な進歩だ。新しいバッテリーは、エネルギー密度が高く、充電効率が速いという利点があります。わずか6分で90%の電力まで充電でき、320キロメートル走行できます。現在、リチウム電池を 80% まで充電するには平均 30 分かかります。

さらに、「グラフェン電池」というコンセプトは常に非常に人気がありますが、業界内では論争もあります。リチウム電池の用途では、グラフェンは主に負極活物質および導電添加剤として使用されます。急速充電能力だけをみると、グラフェンを導電剤として使用したり、グラフェンを使用してリン酸鉄リチウム/三元リチウム材料をコーティングしたりすることで、より優れた急速充電効果が得られます。しかし、総合的なコストやプロセスの難易度などの指標を考慮すると、依然として非常に困難です。

3. 急速充電製品の市場展望

高いエネルギー密度、急速充電、低価格を特徴とする、ユーザーが最も期待する理想的なパワーバッテリー製品です。しかし、「ケーキを食べて、それを残しておくことはできない」のです。既存のリチウムイオン電池システムでは、レート性能、エネルギー密度、寿命、安全性、価格など、動力電池の最も重要な5つの指標が、比較的安定したレーダーチャートで固定されています。いずれかの指標が改善されると、他の指標は相対的に低下します。

現在、急速充電動力バッテリーは、都市や対象単位の選択性が高いため、主に新エネルギーバスに使用されています。つまり、相対的に財政支援を受けている都市や部署は、急速充電バッテリーバスを好む傾向があります。しかし、市場発展の可能性の観点から見ると、今後はバスよりも乗用車や特殊物流車両の成長率や市場規模の方が高くなるでしょう。したがって、急速充電パワーバッテリーの消費構造は、将来的にはこれら2種類の車両へと移行するでしょう。

Battery Chinaのデータによると、中国は2017年に6,486台の急速充電バスを生産し、バッテリーの搭載容量は597.52MWhに達し、新エネルギーバスの総数の6％を占めました。その中で、急速充電バス製品は6.42Cという最高の充電速度を誇ります。 3C-5Cモデルの生産台数は4,771台、搭載バッテリー容量は480.68MWhです。 5C-10Cモデルの生産台数は1,715台、搭載バッテリー容量は116.84MWhです。現在、急速充電バスの急速充電速度は主に3C〜5Cに集中しています。電池の種類別に見ると、2017年の急速充電バスの電池材料は主にチタン酸リチウムで、設置容量は571.54Mwhで、95.65%を占めました。

2017年の4種類の動力電池の出荷量によると、1.54GWhのリチウムマンガン酸化物はプラグインハイブリッド車に部分的に使用され、小型で急速充電の要件を部分的に満たし、16GWhの三元電池車は小型で急速充電の要件を部分的に満たしています。全体的に、三元系急速充電電池は乗用車に適しており、リン酸鉄リチウム、チタン酸リチウムなどの急速充電電池はバスに適しており、マンガン酸リチウム急速充電電池はプラグインハイブリッド車に適しており、チタンニオブ酸化物は急速充電の新たな方向性となる可能性があります。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。