三菱i-MiEVや日産リーフに採用されたバッテリー 私が考えるEV遺産の第一は、三菱i-MiEVや日産の初代リーフが採用した、マンガン酸リチウムを正極に使ったEV用リチウムイオンバッテリーの実用化だ。 マンガン酸リチウムを正極に使ったリチウムイオンバッテリーは何が凄いかというと、安全性の高さである。 リチウムイオンバッテリーは、旭化成に在籍した吉野 彰（2019年にノーベル化学賞を受賞）が実用化し、まずラップトップ式パーソナルコンピュータ（PC）や携帯電話などで商品化された。そのリチウムイオンバッテリーの正極は、コバルト酸リチウムだった。小さくて軽く、多くの充電容量をもつことができたが、過充電により熱を持ち、膨張や発火の懸念があった。 そのような危険性をはらんだまま何百セルも搭載して、EVで火災事故が起きては大ごとである。携帯電話で使われたリチウムイオンバッテリーは、3Wh程度であったが、EVでは初代リーフでも24kWhの容量を持ち、それは携帯電話の8000倍になる。それが発火したら、ただごとで済まないことは想像できるだろう。 そこで開発されたのが、マンガン酸リチウムを正極に使うリチウムイオンバッテリーである。 マンガンとコバルトでは、結晶構造が違う。 マンガンは、スピネル構造と呼ばれ、リチウムがマンガンの結晶の隙間に収まる状態になっている。これに対し、コバルトの結晶は層状構造と呼ばれ、コバルトの層と層の間にリチウムが、やはり層状に挟まれた状態で収まっている。 充電の際は、負極へリチウムイオンが移動する。スピネル構造のマンガンは、リチウムがすべて負極へ移動したとしても結晶構造が崩れない。一方のコバルトは、層と層の間にあったリチウムがすべて抜けてしまうと、建物の床が落ちるようにコバルトの結晶構造が崩れる。これが短絡（ショート）の一因となり、発熱や膨張、あるいは発火といった事態を起こす懸念が生じる。 一方、スピネル構造のマンガンは、リチウムが入り込む隙間がコバルトに比べ少ないので、充電容量が小さくなる。つまり、満充電からの走行距離が短くなってしまう。 それでもあえて三菱自動車工業と日産が、世界初といえるEVを市販するにあたり、マンガン酸リチウムを正極に使うリチウムイオンバッテリーを実用化し、それなりの一充電走行距離を実現した意義は大きい。

一充電走行距離はモデルによって大きく異なる 電気自動車（EV）の性能を測る指標として、一充電走行距離が注目されている。メルセデス・ベンツEQS 450+はWLTCで759kmを達成している。テスラ・モデル3のロングレンジは706kmだ。 それらの数値は、一度の給油で1000km走れるようなディーゼルターボ車にはおよばないものの、700km前後走ると、東京から東へは青森県、西へは岡山県あたりまで行けるだろう。高速道路を時速100kmで走り続けたと仮定して、7時間の行程だ。 一方、現在もっとも一充電走行距離が短いのは、日産サクラ／三菱eKクロスEVの180kmである。メルセデス・ベンツEQS 450+の4分の1以下でしかない。 そのうえで、考えてみる。700kmもの一充電走行距離が、本当に必要かどうか？ 一充電走行距離に関わるバッテリー容量は、大きすぎると電力消費の効率が悪化する。したがって、普段のクルマの使い方（どれくらいの距離を走ることが多いか）を、再確認するのがまず第一歩だ。 その答えのカギを握るのが、給油と充電の仕方の違いを理解することだ。 ディーゼルターボエンジンのクルマは、満タンから走れるとされる1000kmを走り切ったら、給油しなければならない。給油するにはガソリンスタンドを探し、そこへ行かなければならない。 EVで、満充電から走れる700km走ったあとは、それが目的地であろうと自宅に戻った場合であろうと、200ボルト（V）のコンセントから充電すればいいため、ガソリンスタンドのような専用施設を訪ねる必要がない。これが基本だ。 もちろん、まだ基礎充電（自宅や仕事場での充電）や目的地充電（行った先での充電）の整備が十分でないのも事実だ。本来、充電施設の整備は、基礎充電と目的地充電が優先されるべきだった。経路充電と位置付けられる急速充電は、それらを補完する設備であることへの理解が不足していた。それが主客転倒の事態を招いてしまった。このため、一充電走行距離の長いEVが必要との誤認を消費者に与えてしまった。 EVの充電基盤整備を、本来の姿で完成させていくことが、適正な走行距離選びに不可欠の条件になる。

過度に心配する必要はない 電気自動車（EV）で使われるリチウムイオンバッテリーは特徴がある。満充電で放置すると、劣化が進みやすい。 ハイブリッド車でこれまで主力となったニッケル水素バッテリーは、電気を使い切ってから充電しないと、満充電にならない特徴がある。これをメモリー効果という。これは、ニッケル・カドミウム（通称ニッカド）バッテリーと同じ特性だ。 クルマの補器用としてエンジン車も含め車載されている12ボルト（V）の鉛酸バッテリーは、満充電で保管するのがよく、電気切れで放置すると充電しにくくなる。 以上は、充電が可能な二次電池と呼ばれるバッテリーの電極材料に応じた個別の特徴だ。 EVで使われるリチウムイオンバッテリーは、スマートフォンなどでも使われ、バッテリーとしての特性は変わらない。 したがって、スマートフォンも、充電する際には100％まで満充電にせず、80％ほどに止めておくのが劣化を抑え、長もちさせる秘訣だ。 とはいえ、EVの場合、目的地までの移動距離によっては、100％の充電で走れる一充電走行距離に期待するのは当然だろう。それを我慢して、途中で急速充電をしなければならないと考えると、遠出するのがおっくうになってしまうに違いない。そして、EVは不便だと思ってしまう。 EVを販売する自動車メーカーは、車載のリチウムイオンバッテリーの性能保証を行っている。たとえば、日産自動車の場合、8年16万kmを保証しており、年数か走行距離のどちらか先に到達したほうを限度としている。そこに、使い方の指定はない。 したがって、満充電を繰り返したり、急速充電を頻繁に行ったりしても、上記の保証が行われると解釈できるだろう。その意味では、新車で購入した場合、充電の仕方にそれほど心配しなくてもよいのではないか。 ちなみに、初代リーフの24kWhのリチウムイオンバッテリーの保証は、5年または10万kmであった。その後、同じ初代リーフでも30kWhへ容量を増やしたリチウムイオンバッテリーから、現在と同じ保証内容になっている。そのように、リチウムイオンバッテリー自体も劣化を抑える改良が進んでいる。

夏はバッテリーの温度が上がりやすい 電気自動車（EV）で使われるリチウムイオンバッテリーは、人間が快適に暮らせる温度が適しているといわれることは、極寒への対処でも話した。 では、近年の猛暑にはどうなのか。 暑さに対しても、やはり人間と同じように適切な対処をしないと、充放電ともに本来の性能を出し切れないことになる。そして、暑さへの課題もバッテリー特性が関係する。 暑さでは、単に外気温の高さだけでなく、高速道路を連続して走行し続けたような場合も、バッテリー温度が上がりやすい。大電流を連続して流し続けるためだ。 電気の使われ方については、EV以外の家庭電化製品やパーソナルコンピュータ（PC）のバッテリーや配線も、出力の高い状態で連続して使うと熱を持つようになる。大きな電流が流れると、余剰分が熱となって外部へ放出されるからだ。バッテリーに過剰な電流が流れ、余剰分が熱となって外へ放出され、それが限度を超えると、膨張したり、発火したりといった不具合や事故につながりかねない。原因は、抵抗だ。 電気の流れは、川にたとえることができる。ある川幅を普段は問題なく水が流れていても、大雨などで水かさが増すと、堤防を越えて洪水を起こしかねない。電気も水も、流れが多すぎれば弊害をもたらす。 それならば、あらかじめ太い電線を使えばいいと思うかもしれない。しかし、無闇に太い配線を用いれば、場所も取るし、重くもなる。 高速道路の利用（大電流を流し続ける）を制限することはできないが、適度な太さの配線により多様な使い道での性能と価格の調和をとり、折り合いをつけることになる。 そのうえで、バッテリーのケースに冷却機能を設け、リチウムイオンバッテリーが機能しやすい温度管理をする対策が行われている。

冬はEVの一充電走行距離が短くなる 電気自動車（EV）で使われるリチウムイオンバッテリーは、人間が快適に暮らせる温度が適しているといわれる。つまり、極寒や酷暑は苦手だ。EVが寒さや暑さを苦手とするのは、バッテリー特性に負うところが大きいだろう。 とくに寒い冬は、EVの一充電走行距離が短くなるといわれる。理由は、低温になると電圧が低下するからである。走行に必要な電力は、電圧×電流なので、電圧が下がれば電力量が減り、そのぶん走れる距離が短くならざるを得ない。 対応策を理解するとき、背景となるのは、やはり人間と同じような環境で最適な性能を発揮するという、リチウムイオンバッテリーの特性だろう。 人間も、寒さで体が硬くなれば、事前にウォーミングアップをすることで、いつもどおりの活動ができるようになる。リチウムイオンバッテリーの充放電は、正（＋）負（－）の電極間をイオンが往復することで行われる。したがって、イオンが移動しやすい温度環境を整えることが大切だ。 かつて、発売当初の市販EVは、バッテリーを空冷していたので、停車中を含め意図的な温度管理をできずにいた。走ったとき、走行風で冷やすという効果しか望めなかったのだ。極寒の地では、気温が下がっただけバッテリーが冷えてしまう。つまり、イオンが電極間を移動しにくくなる。移動が鈍れば、電圧が下がる。 対策は、バッテリー温度を下げ過ぎないことで、空冷に替えて液冷を導入することにより、冷媒を温めれば、バッテリーを温度低下から守ることができる。 とはいえ、空冷ではダメということではない。空冷であることを通じて、廃車後のリチウムイオンバッテリー再利用のため、セル単位に分解しやすいことを視野に入れていた。クルマとして最適なだけでなく、リチウムイオンバッテリーという高価な部品を使い尽くすための視点が、EVでは不可欠なのだ。液冷式となった今日も、EV後の再利用を視野に、バッテリーケースの設計を行う必要がある。 リチウムイオンバッテリーの再利用を重視する理由は、廃車後も、なお70％近い容量を残しているからだ。これを定置型の電気施設などで再利用しない手はない。たとえば太陽光や風力など、再生可能エネルギーによる発電の電力を貯めておくのに使える。

バッテリーの性能は一充電距離や出力性能に影響 リチウムイオンバッテリーの諸元で注目されるのは、kWh（キロ・ワット・アワー）の単位で示される容量だ。この数値が大きいと、より遠くまで充電せずに走り続けられる。急速充電への不安から、バッテリー容量の大きな電気自動車（EV）を好む傾向が根強い。 このようにバッテリーは、エンジン車でいう燃料タンクのように、エネルギーを貯めておく機能がある。 同時に、バッテリーは一度にどれほどの電力を出せるかという出力性能も備えている。 たとえば急加速する際、バッテリーに電力が残されていても、一気にその電気を使えなければ加速に不足が生じる。つまり、エンジンと燃料というこれまで慣れ親しんできたクルマの部品や要素の機能と違った側面が、EVにはある。 そしてモーターは、バッテリーから送られてきた電力で力を出すための装置という位置づけが正確なのではないだろうか。 バッテリーの出力は、バッテリーの種類や、同じバッテリーでも性質の違いによって差が出る。 たとえば、ハイブリッド車（HV）で永年使われてきたニッケル水素バッテリーは、瞬間的に高出力を出す性能に優れている。一定の重量でどれくらい大きな出力を出せるかの指標となる、出力密度（W／kg）で、鉛酸バッテリーより優れた性能を備える。さらに高性能なのが、バッテリーではないがキャパシター（コンデンサー＝蓄電器のように一時的に電気を貯める機能がある）だ。 したがって、1997年にトヨタからプリウスが発売されたあと、HV開発を模索する他メーカーのなかには、バッテリーではなくキャパシターの活用を検討していた例がある。 一方、ニッケル水素バッテリーは、電気を蓄えるためのエネルギー密度でリチウムイオンバッテリーに劣る。このことから、貯めた電気で走るEVや、PHEVでは、リチウムイオンバッテリーが使われるのである。 また、リチウムイオンバッテリーは、ニッケル水素が得意とする出力密度においても、それ以上の性能を引き出すことができる。ただし、もしリチウムイオンバッテリーをHVで使う場合は、エネルギー密度より出力密度を重視した特性にする必要がある。EV用とHV用では、同じリチウムイオンバッテリーといっても、性質が異なるのである。

ややこしいのは最大充電能力の違い EVはリチウムイオン電池に充電された電気を使い、モーターを駆動して走る。したがってガソリン／ディーゼルエンジン車とは各種の数値に異なる部分が多い。 動力性能の表記は、エンジンと同じく最高出力がkW（PS／馬力）、最大トルクはNm（kg-m）だが、これは駆動用電池の出力にも左右される。同じモーターを使っても、駆動用電池の出力が向上すれば動力性能も高まる。そして、リチウムイオン電池の総電力量（電池容量）は、kWhで表記される。 たとえば日産リーフの場合、駆動用リチウムイオン電池には、40kWhと60kWhの2種類がある。モーターの型式は同じで、定格出力も85kWで等しいが、運転すると動力性能は60kWhがパワフルに感じる。その理由は、60kWhのバッテリー出力が40kWhのタイプを上まわるからだ。EVの動力性能は、数値の違いだけではわかりにくい。 また、エンジン車にはないデータとして、一充電走行距離の数値も示されている。1回の充電で走行できる距離のことで、リーフの場合、駆動用リチウムイオン電池が40kWhのグレードは322kmだ。60kWhになると450kmまで伸びる。 ちなみにエンジン車には、WLTCモード燃費と燃料タンク容量が記載されている。ノートX・2WDではWLTCモード燃費が28.4km/L、燃料タンク容量は36リットルだから、1回の給油で走行できる距離は単純に掛け算すると1022.4kmだ。 充電時間と給油時間の違いもある。ガソリンや軽油の給油は数分で済むが、EVの充電時間は長い。リーフを200V／6kWの普通充電器で充電した場合、40kWhは満充電まで約8時間、60kWhは12.5時間を要する。これが急速充電器なら、80％までの充電で40kWhが約40分、60kWhは約1時間とされる。 ややこしいのは最大充電能力の違いだ。60kWhは100kWの高出力急速充電器にも対応しているため、最短では充電所要時間を50分程度に抑えられる。しかし40kWhは、最大で50kWhしか受け付けられないため、高出力急速充電器を使っても充電所要時間は前述の約40分に留まる。 このほか、EV、PHEV（プラグインハイブリッド）、燃料電池車には、補助金も用意されている。2024年度の場合、リーフであれば、国から交付される補助金は全グレードにわたって85万円だ。このほか自治体から交付される場合もあり、EVの購入に伴う補助金額は地域格差が大きい。 以上のようにEVには、エンジンを搭載したクルマとは異なる特徴が多い。

初代リーフの場合は？ 現在多くの電気自動車（BEV）で採用されているバッテリーがリチウムイオンバッテリーだ。このリチウムイオンバッテリー、長年使用しているとバッテリー性能が落ちてしまい、いずれほとんど走れなくなる……つまり寿命を迎える。では、長年このバッテリーを搭載するクルマを所有していたオーナーは、どうするケースが多いのだろうか？ 古くからBEVを販売していた自動車メーカーといえば日産だ。2010年からリーフを販売していた日産は正にBEVのパイオニアといえる存在。リーフも初代はすでに販売から10年以上経過していて、これまでも存在していたICE（内燃機関車）を乗っていた場合でも乗り換えを検討してもおかしくない年月が経過している。 実際に初代リーフに乗っていたユーザーはどのような選択肢を取った人が多かったのか？　日産にその疑問をぶつけてみた。 すると、「リーフは普通車の量産型電気自動車としては初のモデルであったので、『新しい物好き』なユーザーが多かったです。そのようなユーザー特性の背景から、バッテリーの劣化が進んでからはマイナーチェンジしたリーフや、2代目リーフに乗り換えるユーザーがほとんどでした」、とのこと。わずかにバッテリーを交換して乗り続けるユーザーもいたそうだが、あまり多くなかったのが実状だったようだ。

EVのバッテリーにはゆとりが不可欠 世界的に、ほとんどの自動車メーカーは電気自動車（EV）の車載リチウムイオンバッテリーについて、保証期間以前に容量が70％を切った場合、交換などの補償をするとしている。バッテリー容量がまだ7割近く残っているというのに、なぜ交換対象になるのか？ 理由は、電気の利用の仕方による。これまで、一般的な電気製品はある一定の電流の使い方だったが、EVはそれと異なる使用条件になる。 電灯はもとより、冷蔵庫や電子レンジ、あるいはスマートフォンなども、基本は一定の電気の流れで稼働する製品だ。もちろん、スマートフォンの場合、動画を観る際などにより多くの電気を必要とする例もあるが、それでもEVほど急な増減はないので、一定電流で機能する定格出力が表示されている。 一方、EVに限らずクルマは、発進・停止を含め頻繁に加減速する使われ方なので、電気の利用も電流が増えたり減ったりし、なおかつ急加速では大量の電気を一気に必要とするので、バッテリー側のゆとりが不可欠だ。 EVのバッテリー容量が70％以下になったとすると、一充電走行距離が減るだけでなく、アクセルペダルを踏んでも運転者の操作（意図）どおりに加速できなくなる。それでは、交通の流れに乗りにくくなるばかりか、緊急回避のような場面で遅れを生じる懸念も出る。そこで、容量が70％を切るような状態になったら、クルマとしての使用には耐えないことになる。 対して、ある一定の電気を使うのが前提の電気製品では、じわじわと電気を使い続けるので、バッテリー容量がゼロになるまで使えるというわけだ。ことに、ニッケル水素バッテリーや、かつてのニッケル・カドミウム・バッテリーは、容量がゼロになってから充電したほうがよいとされている。いわゆるメモリー効果といわれる特性による。

円筒型は乾電池と同じ形状 電気自動車（EV）に駆動用として搭載されるバッテリーは、最小単位であるセルに、形状の違いがいくつかある。代表的なものでいえば、円筒型／角型／ラミネート型などだ。 円筒型は、乾電池などと同じ、筒形をしていて、筒の頭頂部の出っ張りが正極（＋極）、反対側の端が負極（－極）になる。ケース内の電極は、巻物のように巻かれている。 米国のテスラがEV発売に乗り出した際に用いられたのがこの円筒型で、それは、パーソナルコンピュータ（PC）などで使われていた汎用のリチウムイオンバッテリーの活用だった。 円筒型は、たとえば初代のトヨタ・プリウスのハイブリッド車（HV）向けニッケル水素でも採用されたことがあり、同じ円筒型のニッケル水素バッテリーは、ホンダの初代インサイトでも使われた。 使い捨ての乾電池だけでなく、充放電を繰り返せる単3蓄電池などでもニッケル・カドミウム（通称ニッカド）やニッケル水素で家庭電化製品に使われてきた形式なので、生産技術が確立され、原価を抑えることに成功している。 現在でも、テスラのほか、SUBARUやマツダがパナソニックの円筒型バッテリーの契約を結ぶなど、新しいニュースもある。また、高密度な新しい設計の円筒型の開発も行われている。 ただ、正負極が筒の上下両端にあるため、配線などに工夫が必要だ。また、数多くのセルをバッテリーケースへ詰め込もうとすると、筒状の丸い外観なので、隣同士のセルとの間に隙間が生じ、積載密度で劣る可能性がある。 ほかに、電極が巻物のように巻かれているため、中心部と外周側で温度差が生じる可能性があり、リチウムイオンバッテリーで重要な温度管理に難しさがありそうだ。そこで、余裕ある容量の確保と、充放電制御の成熟度が試される。