皆さんこんにちは！
パソコンや携帯電話など多くの家電に欠かせないリチュウムイオンバッテリー。
リチウムイオンバッテリーは、軽量で寿命も長くなり使いやすくなりました。しかし一方で火
災の危険性が社会問題にもなっています。それは、電動航空機にとっても致命的なことです。
安全性を重視した次世代のバッテリー開発の現状を見ていきます。
電気航空機開発者、バッテリーのブレークスルーに備える
固体電池は電気飛行機の聖杯となるのでしょうか?
Eviation 社の電気 Alice では、地域旅客運航の目標を達成するために高性能のバッテリーが必要になります。
電動練習機がすでに運用されており、初の eVTOL モデルが認証間近である中、リチウム
イオン電池は、さらに別の電化産業に参入する立場を確立しました。リチウムイオン電池は
航空業界が切望する種類のエネルギーと電力を提供することはできないかもしれませんが、航
空機開発者が電動航空の夢を追い求め、電池駆動で排出ガスのない航空機を製造することを止
めることはできません。
先進的な航空モビリティ業界では、現在入手可能なバッテリーは短距離飛行を行う小型航空機
には十分ですが、この技術をより大型で長距離の航空機に拡張するには、バッテリー技術の飛
躍的進歩が必要です。その飛躍的進歩が具体的に何を意味するのかはまだわかりませんが、
その間、新しく改良されたバッテリーは、あなたが思っているよりも近い将来に実現するかも
しれません。そして、それらは現在すでに使用されているバッテリーとそれほど変わらないか
もしれません。
パワー対エネルギー
バッテリー開発者が直面する重要な課題の 1 つは、電力とエネルギーの相互作用です。エネル
ギー密度が高いということは、バッテリーが単位体積あたりに蓄えられるエネルギー量が多い
ことを意味します。一方、電力密度は、バッテリーがエネルギーをどれだけ速く放電できるか
を示します。理想的には、電気航空機に電力を供給するバッテリーは、高いエネルギー密度と
電力密度の両方を提供できるはずですが、残念ながら、この 2 つの特性は両立しません。
電気航空機、特に新しい eVTOL モデルには、離着陸時に十分な揚力を提供するために、高出
力密度のバッテリーが必要です。同時に、必要な航続距離に加えてエネルギーの予備力をサポ
ートするのに十分なエネルギー密度も必要です。FAA は eVTOL 航空機のエネルギー予備力
要件を決定していませんが、現在の規制では、民間航空機は昼間または夜間の VFR 条件でそ
れぞれ 30 分または 45 分のエネルギー予備力を搭載することが義務付けられており、ヘリコ
プターは 20 分が義務付けられています。
現在開発中の eVTOL 航空機のほとんどが約 20 マイル以下の短距離都市間飛行を想定して
いることを考えると、既存のエネルギー予備要件では、バッテリーの予定重量が 2 倍、ある
いは 3 倍になることもあります。eVTOL 業界は、従来の時間ベースの要件ではなく、パフ
ォーマンスベースのアプローチを要求し、すでに限られている eVTOL 航空機の航続距離を
最大限に高め、この技術をより経済的に実現可能にしようとしています。
エネルギー密度は航続距離に重要ですが、eVTOL 航空機の離着陸時には電力密度が特に重
要です。電気自動車のバッテリーは比較的安定した速度で放電しますが、eVTOL 航空機は離
着陸に短時間の高出力を必要とします。EV バッテリーは eVTOL 航空機の変化する出力に最
適化されていません。航空機には重量制限も厳しく、これが EV バッテリーが eVTOL アプリ
ケーションに適さないもう 1 つの理由です。
代替案はすぐそこに？
電気航空機メーカーのアーチャーは、カリフォルニア州サンノゼに独自の大容量バッテリー製造施設を開設した。
リチウムイオン電池の技術は、長距離飛行に対応できるほどまだ進歩していないかもしれませ
んが、今のところは最良のソリューションです。しかし、状況はすぐに変わるかもしれませ
ん。研究機関から電池化学に対する新しいアプローチがすでに生まれており、いくつかの商用
製品に採用されています。
航空用途に有望な新しい電池化学の例としては、固体電池やリチウム硫黄電池などがあり、
どちらも長距離飛行に必要な高いエネルギー密度を提供できます。科学者やエンジニアは、
このような代替電池化学が技術的に実現可能であることをすでに実証していますが、経済的に
実現可能になり、電気航空機での使用が認定されるまでには、まだ長い道のりがあります。
固体電池は、航空用途ではリチウムイオン電池の最も有望な代替品として浮上しており、自動
車業界ではすでに電気自動車（EV）用電池でこの技術をテストしている。サムスンは8月に、
600マイルの走行距離、超高速充電、より長い電池寿命を実現するという固体EV用電池のパイ
ロット生産とテストを開始したと発表しました。
「しかし、これらはまだ初期段階にあり、これらの過酷な[eVTOLの運用]条件下でどのように
動作するかを判断するのに数年かかるでしょう」と、テネシー州にある米国エネルギー省オ
ークリッジ国立研究所のバッテリー科学者であるイリアス・ベルハルアク氏は語りました。
オークリッジ国立研究所の電動化部門の責任者として、ベルハルアク氏はバッテリー技術とバ
ッテリー製造プロセスの進歩に焦点を当てた研究者チームを率いています。
今年初め、ベルハルアク氏と彼の同僚は、さまざまなEVバッテリーがeVTOLの動作条件下で
どのように機能するかを評価した研究を発表しました。彼らは、eVTOL飛行に必要な電力と
性能によってバッテリーの性能と寿命が低下することを発見し、カスタマイズされた性能ベー
スのバッテリーソリューションの必要性を浮き彫りにしました。新しいタイプのバッテリーが
電気航空機推進システムでの使用を認定される前に、「非常に特殊なプロトコル、または負荷
条件下でテストされ、それからそれが価値があるかどうかを判断する必要があります」とベル
ハルアク氏は述べました。
固体電池
多くの人からエネルギー貯蔵ソリューションの聖杯とみなされている固体電池は、EV 市場に
徐々に浸透しつつあり、次世代の航空機用電池の最有力候補であると思われます。リチウムイ
オン電池には通常、液体またはゲルポリマー電解質が含まれていますが、固体電池には固体電
解質が含まれています。固体電池は従来のリチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー
密度を持ち、一般的に安全であると考えられているため、航空用途に最適です。
リチウムイオン電池は、熱暴走（制御不能な過熱により火災や爆発を引き起こす可能性があ
る）を起こしやすい傾向があります。これは、リチウムイオン電池に、リチウム塩やその他の
添加物を混ぜた有機溶剤を主成分とする可燃性の液体電解質が含まれていることが一因です。
ショートやその他の物理的損傷が発生すると、リチウムイオン電池内の可燃性電解質が発火し
すでに悪い状況がさらに悪化する可能性があります。
固体電池では、可燃性の液体電解質が、不燃性の固体イオン伝導体に置き換えられています。
リチウムイオン電池と比較すると、固体電池は熱安定性に優れ、より広い温度範囲で効率的に
作動します。エネルギー密度が高いため、電池の総重量も軽減され、大型の航空機や重い積載
物での飛行距離の延長が可能になります。
電解質は、カソードとアノード、つまりバッテリーセルの両端にある正極と負極の間にある
物質です。バッテリーの充電と放電時に、2 つの電極間でリチウム原子の移動を促進します。
バッテリーが放電、つまり電気を出力しているとき、リチウム原子は負に帯電した陽極から
放出され、正に帯電した陰極に向かって流れます。このプロセス中、リチウム原子は外側の電
子を放出し、正に帯電したリチウムイオンになります。解放された電子は負に帯電し、陰極に
向かって移動します。バッテリーが再充電されると、その逆のことが起こり、リチウムイオン
が陰極から放出され、再び陽極に向かって移動します。
研究者たちは数十年にわたってさまざまな種類の固体電解質の実験を行ってきました。一般的
に、すべて同じ問題にぶつかってきました。イオン伝導率が低い、電極と電解質の界面の表面
抵抗が高い、脆い固体による機械的安定性が低い、などです。抵抗が高く導電性が低いと、バ
ッテリーを通る電気の流れが妨げられ、バッテリーの性能が制限され、全体的なエネルギー効
率が低下します。
これらの理由から、これまでのところ、市販の固体電池は、一部の補聴器、ペースメーカー、
ウェアラブル フィットネス トラッカーなどの小型電子機器に限定されています。しかし、リ
チウムイオン電池が長年にわたって進化してきたように、固体電池の技術も常に進歩しており
より幅広い用途に応用できるようになっています。
残念ながら、固体電池は、原材料価格とより複雑な製造プロセスのコストの両方の点で、リチ
ウムイオン電池よりも高価です。どの市場でもリチウムイオン電池と競争し、追加コストに見
合う価値を持たせるには、固体電池は、広く普及している液体電池よりも大幅に性能を向上さ
せる必要があります。今日の電池技術の状態では、航空用途の最も先進的なリチウムイオン電
池は、固体電池の性能数値とほぼ同等です。
リチウムイオン電池のブレークスルー（現状突破）
自動車業界が固体電気自動車バッテリーの登場を待ち望んでいる一方で、航空業界は、いつの
日かバッテリー電気飛行機による長距離飛行を可能にするノーベル賞に値する画期的な発明を
祈っています。その間、実用的な科学者たちは、多くの人が長い間交換を熱望してきたリチ
ウムイオンバッテリーの改良に取り組んでいるのです。
研究者たちは、電力とエネルギーを増やすことに加え、リチウムイオン電池の耐久性を高めて
寿命を延ばし、電池交換の頻度を減らすことを目指しています。
ベルハロウアク氏は、eVTOL 用途のリチウムイオン バッテリーを最適化するための解決策は
結局のところ電解質にあると考えています。同氏と ORNL のチームは、今日のバッテリーに
使用されている従来の電解質よりも迅速かつ効率的にリチウムイオンを伝導できる新しい液体
およびゲル電解質材料の開発とテストを行っています。ベルハロウアク氏と他のバッテリー研
究者は、カソードとアノードの代替材料も研究しています。
現在、リチウムイオン電池のアノードに最も多く使用されている材料はグラファイトですが、
最近ではシリコンが有望な代替アノード材料として浮上しており、特に電気航空機でその可能
性が高まっています。シリコンはグラファイトの最大 10 倍の電荷を蓄えることができます。
しかし、この材料は充電中に膨張し、時間の経過とともにひび割れや劣化を引き起こします。
この問題を解決するために、研究者はシリコンアノードを保護し、強化する方法を模索してい
ます。
例えば、韓国の光州科学技術院（GIST）の研究チームは、化学添加物を使用してアノードの劣
化を遅らせる解決策を考案しました。彼らは、シリコンアノードに酸化グラフェン溶液を注入
しました。この溶液は「網目状構造」を形成し、リチウム原子の貯蔵と放出の能力を妨げず
にアノードの粒子をまとめます。
カリフォルニアに拠点を置く航空機用バッテリーのアンプリウスは、特許取得済みのシリコン
ナノワイヤアノードを搭載した高性能リチウムイオンバッテリーセルシリーズで、シリコンア
ノード技術の秘密を解明したようです。アノードにナノワイヤ構造を導入することで、電解質
と接触する表面積が大きくなり、充電/放電速度が速くなり、電力密度が向上します。
アンプリウス社によると、同社独自のシリコン ナノワイヤ アノードは、膨張に耐え、ひび割れ
を防ぐように構成されています。この秘密のソースにより、アンプリウス社は、現在航空業界
で入手可能な最もエネルギー密度の高いリチウムイオン バッテリーを製造することができたと
同社は主張しています。同社はまた、防衛部門のエネルギー貯蔵アプリケーション向けにこの
技術を提供しています。同社は、さまざまな用途向けにシリコン ナノワイヤ バッテリーの
複数のバージョンを提供しており、最大 500 ワット時/キログラム (Wh/kg) の比エネルギー
と最大 1,300 ワット時/リットル (Wh/L) のエネルギー密度を誇っています。
電気推進システムのパイオニアであるMagniXは最近、航空機専用のバッテリーを製造する計
画でエネルギー貯蔵部門に参入しました。6 月 24 日に発表された MagniX は、新しい
Samson バッテリー ラインは 300 Wh/kg の容量を供給し、1,000 回のフル デプス放電サ
イクルを超える耐用年数を持つと述べました。ワシントン州エバレットに本社を置くこの会社
は350 から 650 キロワットの定格電力を持つ電気推進システム ファミリーに Samson バッ
テリーを導入する予定です。MagniX は、セスナ キャラバンや DHC-2 ビーバーなどの旧型航
空機の改造として推進システムを提供しています。
先進的な航空モビリティはバッテリーの複雑さと限界に悩まされている
バッテリーに関する不確実性を解決する
MagniX の新しい Samson バッテリーは、1 キログラムあたり 300 ワット時のエネルギー密度を実現し、1,000 回以上の全深度放電サイクルの耐用年数を持つと予想されています。
eVTOL航空機の開発者や将来の運用者は、商用サービスの開始を目指して、依然として複数の
複雑な課題に直面しています。電力技術のスペシャリストであるAbout:Energyによると、バ
ッテリー性能はそのリストの上位にあるという。同社は、野心的な先進航空モビリティ分野
を複雑な道筋に導き、現在利用可能なものや今後利用可能になる可能性のあるものを最大限に
活用することを目指しています。
eVTOL開発の初期段階では、バッテリーに関する最も大きな懸念は安全性に関するものでした。
「現在、より大きな課題は、その商業的実現可能性です」と、About:Energyの製品責任者
であるヤシュラジ・トリパシー氏は語りました。「ある時点では、『バッテリー事故が1件
発生すれば業界全体が崩壊する可能性がある』という考えもありましたが、今では規制当局と
の間で基準の統一についてより明確な理解が得られています。ただし、より安全なバッテリー
を求める動きもさらに進むでしょう。」
業界にとって、より大きな警鐘となったのは、エネルギー密度だけでなく、再充電性能や耐用
年数も含めたバッテリー性能の限界です。トリパシー氏によると、2018年と2019年頃の熱狂
的な時期に企業が抱いていた大きな期待は、現在のバッテリーではおそらく寿命を通じて100
マイル程度の航続距離を維持できないだろうという認識によって抑えられざるを得なくなっ
たという。「おそらく10マイルから20マイル程度を期待すべきだ」と氏は述べ、より長い航
続距離を求める企業は、今のところハイブリッド電気推進に目を向ける必要があることを示唆
しました。
「飛行機を着陸させるには大量の電力が必要であり、バッテリーの寿命を通じてその電力を維
持する必要があるため、エネルギー備蓄の 20 ～ 30% は使い物にならないことが現在では広
く認識されています」とトリパシー氏は説明しました。「したがって、複数の電気モーターを
動かすには、寿命を通じて複数のバッテリーが必要になるでしょう。」
これにより、高密度エアタクシー飛行などの商業的に実現可能なサービスをサポートする方法
でバッテリーの使用を管理する方法がメーカーやオペレーターに課題として浮上します。「理
想的には、バッテリーはすべてほぼ同じ年齢で、徐々に同時に消耗します」とトリパシー氏
は言います。「これは、単なるバッテリーの問題ではなく、実際には電気推進の課題です。
eVTOL 航空機の場合、バッテリーはおそらく寿命の終わりの約 85 ～ 90% まで動作し続け
ます。実際、寿命の終わりはエネルギー面だけでなく、その時点でピーク電力パフォーマンス
がどれだけ失われるかという点でも発生します。」
About:Energy は、この分野で業界がバッテリーに関する複雑な考慮事項を理解できるように
支援しようとしています。英国を拠点とするこの企業は、バッテリー開発の時間とコストを削
減するために高度なプロトタイピングを実施しており、また、バッテリーの性能を正確にモデ
ル化して、寿命中の劣化などの要因を評価することもできます。
バッテリー寿命を最大限に活かす方法
メーカーがバッテリーの購入提案を求める際、バッテリーの耐用年数と交換時期は重要な問
題です。「バッテリーの管理方法によって答えは異なります」とトリパシー氏は説明します。
「航空機の使用事例が答えの大きな部分を占めます。たとえば、バッテリーの充電速度を遅く
したほうがよい場合もありますが、それは 1 日に実行できるミッションの数に影響します。」
これらは、About:Energy が各セルのパフォーマンスとバッテリー内部の電気化学を分析でき
るわかりやすいモデリングを提供できる重要なポイントであり、これによって持続可能な動作
レベルを制御できます。同社のチームは、シミュレーションとデータ モデリングを使用して、
バッテリーを繰り返しテストして再構築する必要を回避しています。
トリパシー氏によると、事業者は3～12か月ごとにバッテリーを交換する必要があるかもしれ
ません。また、自動車用バッテリーや現在モータースポーツで使用されているバッテリーより
も5～10倍高価になる可能性があるという。この現実を踏まえると、事業者が個別に負担を負
わなくて済むように、業界が時間単位の電力供給やバッテリー・アズ・ア・サービス・モデル
を運用すべきだということです。
AAM サービスでの耐用年数が終わった後も、バッテリーはまだ比較的新しいため、他の用途
で再利用される可能性があります。補助コンポーネントは、時間の経過とともに 3 ～ 4 人の
新しい所有者に渡る可能性もあります。
MagniX等の企業が常に画期的な進歩を主張しているため、業界は現在のバッテリー技術レベ
ルに永遠にとどまることはないでしょう。問題は、次に何が来るのか、いつ利用可能になるの
か、そしてアップグレードするのに適した時期と状況は何かということです。
「バッテリーをいつアップグレードすべきかを知ることは難しく、それは主にこれらの認証プ
ロセスがどのくらい長くかかるかによって決まります」とトリパシー氏は結論付けました。
「化学変化かフォームファクター変化かによって、5年から10年先を見据えることになるかも
しれません。今のところ企業は円筒形のセルを使用していますが、新しい化学変化はポーチ型
になる傾向があります。」
これは、AAM の先駆者たちが取り組んでいる、一見解決困難なジレンマをさらに浮き彫り
にしており、About:Energy は高い期待に応えるためにこれらのジレンマに取り組んでいます。
コメント