なぜバッテリーは冬になると人間と同じように「寒さを怖がる」のでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 海の塩漬け魚

プロデューサー: 中国科学博覧会

あっという間にまた冬が来てしまいました。北部は室内暖房も完備されており、毎日アイスクリームが食べたくなるくらい暖かいのですが、それでも外出すると40度くらいの寒暖差に直面するのはちょっと怖いです。

あなたのポケットの中に入っているスマートフォンが本物のスマートフォンであれば、寒い外に置きたくないはずです（きっと）。なぜ？なぜなら、この季節になると、携帯電話の「ライフバー」のバッテリー残量がいつも驚くほどの速さで減ってしまうからです。

今シーズン、かなり断固として割引されているものが1つあります。それは、バッテリー寿命です。北部の冬の電気自動車の航続距離は、夏の航続距離の 70% 未満になる可能性があります。携帯電話も同様にすぐに電源が切れます。

インターネットには、真冬に急用で外出しなければならなくなったとき、携帯電話を手に取ってみるとまだ50個以上のバッテリーが残っていたので、心配せずに外出したという生々しい描写があります。目的地に到着して携帯電話を手に取ると、緑色のバッテリーアイコンがいつの間にか赤色の 20 に変わっていたことに気付きました。驚いて見つめていると、目の前で 1% に戻ります。あなたは恐怖に襲われ、息を切らしながら携帯電話に手をこすりつけていましたが、それでも携帯電話が冷たくなるのを止めることはできませんでした...

この寒い天候の中で、携帯電話のバッテリーが少しずつ減っていくのをただ見ているだけなのでしょうか?対策を議論する前に、まずはバッテリーの「電力ロスジレンマ」がどのようにして起こるのかを見てみましょう。

1. 寒い冬におけるリチウム電池寿命のジレンマ

電池は私たちの生活に欠かせないものです。有線電力網がカバーできないあらゆる場所にバッテリーが設置されています。繰り返し充電できるリチウムイオン電池は、基本的に携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどに使用されています。現在、電気自動車の開発勢いは良好です。電気自動車の核となる部品も大型のリチウムイオン電池です。その性能によって、車がどれだけ速く、どれだけ遠くまで走れるかが直接決まります。

リチウム電池は電気自動車の復活に重要な役割を果たしてきました。なぜ電気自動車が復活していると言われるのでしょうか?電気自動車はかつて私たちの先祖にとって贅沢品でした。

電気自動車の歴史は、内燃機関自動車よりも半世紀以上も前の1834年にまで遡ります。 19世紀末から20世紀初頭にかけて、ヨーロッパやアメリカなどの先進国では電気自動車が普及しました。米国における電気自動車の市場シェアは内燃機関車よりも16%高かった。街が電気自動車で本当に溢れていることにため息をつくしかありません。

ここに写っているのは、時速 100 km を超える速度に到達できる世界初の自動車です (そう、電気自動車です)。この車は1899年に時速105.882キロの速度記録を樹立した。

(画像出典: Wikipedia)

経済の発展に伴い、道路網の建設はますます広範囲になり、人々の活動範囲は拡大し、人々の自動車の範囲に対する要求はますます高くなっています。石油採掘・精製技術や内燃機関技術の急速な発展と相まって、燃料車は使用コスト、航続距離、価格、性能の面でより有利になってきました。この頃から電気自動車の人気は徐々に衰え、人々の前から消えていきました。

2. 低温によって引き起こされるいくつかの大きな課題

今日の電気自動車はすでに十分な走行距離を実現しており、理論上の走行距離は最大600～700キロメートルに達します。しかし、冬場は電気自動車は200～300キロ走行すると電力が尽きてしまうことがあり、充電速度も通常ほど速くありません。路面電車のバッテリー寿命の欠点は十分に補われていないようです。

何が問題なの？問題は温度が低すぎてバッテリーが「内部で消耗」していたことであることが判明しました。

バッテリーの内部消耗の原因を探る前に、まずバッテリーの仕組みを理解しましょう。

バッテリーには、負極（主にグラファイトが負極として使用されます）、正極（リン酸鉄リチウムを例に挙げます）、隔膜（リチウムイオンは通過できますが、電子は通過できません）、バッテリーケースなど、いくつかの主要コンポーネントがあります。

（画像出典：著者自作）

リチウムイオン電池を充電すると、正極のリン酸鉄リチウムからリチウムイオンが放出され、電解液を通って負極に移動し、グラファイトに埋め込まれます。負極のグラファイトは正極から来るリチウムイオンと電線を通って移動する電子を吸収します。放電時には、グラファイトに蓄えられたリチウムイオンが再び逃げ出し、電解質と隔膜を通過して正極に戻ります。電子は隔膜を通過できず、外部ワイヤを通じて正極に戻ることしかできません。この動作により電線に電流が発生し、電気機器が作動します。

低温はリチウムイオン電池の動作にどのような影響を与えますか？バッテリーの材料と動作プロセスの両方が低温環境の影響を受けます。冬に長時間風雨にさらされると指が硬くなるのと同じように、電池の材料も硬くなります。低温環境ではイオンが逃げたり材料に埋め込まれたりすることが難しくなり、膜を通過しにくくなり、イオンの移動速度も低下します。

低温放電時には、リチウムイオンが正極材料に埋め込まれる速度が低下します。前方のリチウムイオンが材料に埋め込まれる前に、後方のリチウムイオンがすでに到着しています。リチウムイオンが交通渋滞に巻き込まれ始める。電極材料の表面に蓄積された大量のリチウムイオンにより、不動態層（業界ではSEI膜と呼ばれ、リチウムイオンが電極に埋め込まれる速度を遅くする）がより速く形成され、埋め込みがより困難になります。マクロ的な現象としては、バッテリーの内部抵抗が増加し、バッテリーが「内部でエネルギーを消費」し始め、出力される電気の量が少なくなります。

低温で充電すると、リチウムイオンはグラファイト負極に向かって移動しますが、リチウムイオンがグラファイトに埋め込まれる速度も低下し、一方で電子はワイヤを通じて負極に問題なく到達できます。電子が負極の表面でリチウムイオンと遭遇すると、金属リチウムが生成され、リチウムデンドライトが形成されます。リチウムデンドライトが大きくなると、ダイヤフラムを突き破り、バッテリーがショートして故障する原因になります。

顕微鏡下のリチウムデンドライト

（画像出典：参考文献）

3. 思考がずれない限り、問題よりも解決策の方が常に多く存在します

リチウム電池の低温性能の欠点は、多くの科学研究リーダーにとって悩みの種となってきた。電池の分野では周期表のほぼすべてを探求してきたのに、どうして単なる低温で困惑してしまうのでしょうか?研究者たちは研究上の困難を克服するためのアイデアを考案してきました。現在、この欠点は次の 3 つのアプローチをとることで解決できます。

第1条材料の変更材料の加工方法や電池の製造工程を変えることができます。

低温環境でバッテリーの放電性能が低下する理由は、バッテリーの内部インピーダンスが大きすぎるためです。新しい電解質材料と電極材料を交換することで、低温条件でのバッテリーの内部インピーダンスを可能な限り低減し、バッテリーの低温性能を向上させることができます。

第2条：内部予熱人は寒さを感じると、足を踏み鳴らしたり手をこすったりして熱を発生させます。バッテリーでも同じことができます。

この技術的な方法は内部予熱と呼ばれます。バッテリーを製造する際、メーカーはバッテリー構造に薄いニッケル箔を追加し、それを電気絶縁ポリマーで覆います（薄いニッケル箔がバッテリー内で短絡を引き起こすのを防ぐため）。バッテリーの温度が下がりすぎると、コントローラーはニッケル箔に電流を流し、大量の熱エネルギーを発生させてバッテリー材料を急速に加熱します。バッテリーを比較的良好な動作温度範囲内で放電した状態に保ってください。

低温状態で充電する場合、充電装置はまず低電力でバッテリーを充電し、充電中にバッテリー自体から発生する熱を利用してバッテリーを予熱し、バッテリー温度が適切な範囲まで上昇すると高電力の急速充電を実行します。

第3条：外部加熱。バッテリーには予熱装置を装備することができます（人々にヒーターや電気ストーブを提供するのと同じように）。

まずバッテリーが予熱装置に少量の電力を供給し、予熱装置が熱を発生させてバッテリーの温度を上昇させます。適切な動作温度に達した場合にのみ、バッテリーは通常の動作状態になります。一部の電気自動車にはバッテリー予熱機能が搭載されています。冬に車を使用する前に、車が正常な動作状態になるようにバッテリーを予熱する必要があります。

バッテリーを予熱する方法

（画像出典：参考文献）

4. 低温リチウム電池は将来有望

最近、国内初となるリン酸鉄リチウム電池を採用した寒冷地用電動押し船「霊航1号」が松花江支流で進水に成功した。マイナス30度までの低温にも耐えられます。

寒冷地用電動手押し船「凌航1号」

（写真提供：中国科学日報）

低温電池の性能不足は段階的に補われています。おそらく数年後には、北極の研究基地で電気自動車が走っているようになるでしょう。その時までに、北極の「モンスターレベル」のテストに耐えられるバッテリーは、私たちの日常の使用環境でも確実に安定した性能を発揮するはずです。

編集者：郭雅新

参考文献:

[1]Luo S, Wang Z, Li X, et al.硫化物電解質を用いた全固体リチウムベース電池におけるリチウムインジウムデンドライトの成長[J]。ネイチャーコミュニケーションズ、ネイチャーパブリッシンググループ、2021年、12(1):6968。

[2] 孫同輝低温環境下におけるリチウム電池の加熱方法の研究[D]中国民用航空飛行大学、2022年。

[3] Tao Zheng、Peng Jichang、Meng Gaojun、他。リチウムイオン電池の低温予熱方法に関する研究のレビュー[J]。電源技術、2022年、46(9):949–953。