はじめに
1回の充電で東京から福岡まで走破
次に、電気自動車に注目してみましょう。電気自動車が抱えている大きな課題は「充電」です。現在の電気自動車は充電に時間がかかる上、一度の充電で走行できる距離がガソリン車に比べて短く、通勤や近郊へのお出かけには問題ありませんが、遠出したいときは不安ですよね。
この問題を解決する研究の1つが「電池」です。現在、電気自動車に搭載されているのは、言わずと知れた、日本発の「リチウムイオン電池」です。2019年に吉野彰博士がノーベル賞を受賞しましたよね。
エネルギー密度(単位質量もしくは単位体積あたり取り出せるエネルギー)が高く、小型でも乾電池と比べると大容量で寿命も長いため、スマホやPCなどに利用され、欠かすことのできない電池となっています。
しかし、リチウムイオン電池は「発火のリスク」や「枯渇のリスクがあるコバルトを使っているものが多い」などの問題を抱えているとともに、性能も理論上の限界に達しつつあります。
そこで今、リチウムイオン電池に代わる次世代電池の研究が進んでいます。その中の1つが「フッ化物イオン電池」です。電池に使われる物質は環境負荷が小さく、資源的な問題はありません。また、フッ化物イオン電池の理論上のエネルギー密度は、なんとリチウムイオン電池の7倍以上! 実用化されれば1回の充電で約1000㎞の走行が可能になるのだとか。
すなわち、1回の充電で東京―福岡間を走破できることになるのです。驚きですよね。
どうしてそんなにエネルギー密度が高いのか
ではなぜ、フッ化物イオン電池はそこまでエネルギー密度が高いのでしょうか。その答えは、電極にあります。
まず、リチウムイオン電池の電極は、ビルディングのような作りになっています。例えば5階建のビル(負極ビルと正極ビル)だとしましょう。各ビルの1階から5階までのフロアにはリチウムイオンが収納されています。
放電するときには、負極ビルの各フロアから正極ビルの各フロアへリチウムイオンが移動します。充電するときは逆です。
このように、リチウムイオンを収納するビルをもっているため、電極の重量や容積が高み、フッ化物イオン電池よりエネルギー密度が低くなってしまいます。しかし、リチウムイオンが移動しても、ビルはほとんど壊れることがないため、繰り返しの充電に強く長寿命の電池になるのです。
500回の充電で容量が8%ほどに減少します。スマホを買って1年半くらい使用すると「最近充電してもすぐに電池なくなっちゃうなあ」なんて呟いた経験ありませんか?
それに対して「フッ化物イオン電池」の電極はビルのような構造を取っていません。
ただの塊です。そのため、リチウムイオン電池の電極に比べて重量や容積が小さくなり、エネルギー密度が高くなるのです。また、電極に使っている化合物は、金属1粒に対してフッ化物イオンが複数くっついているため反応に関わるフッ化物イオンの数が多く、効率良く電気を取り出すことができます。
しかし、放電や充電するときは一方の電極からフッ化物イオンが溶け出し、もう一方の電極へ移動し、化合物となって析出します。すなわち、充電放電により電極自体が変化してしまうため、繰り返しの充電に弱いのです。20～30回の充電で容量が70～75%まで低下するのだとか。
ということは、電気自動車に20回充電すると1000㎞だった走行距離が700㎞にまで落ちてしまうということになります。
しかし、現在、リチウムイオン電池と同じ、電極がビルのような作りのフッ化物イオン電池の開発も進んでおり「エネルギー密度が高く、繰り返しの充電にも強いフッ化物イオン電池」がみなさんの前に登場する日がくるかもしれません。楽しみですよね。
走行中の自動車にワイヤレスで充電?
電気自動車の「充電」を解決する研究は他にもあります。それは「走行中ワイヤレス給電」です。ワイヤレス給電といえば、スマホや電動歯ブラシなど、生活のなかにも浸透してきましたよね。ただ、ここでご紹介するのは止まった状態でワイヤレス給電するのではなく、「走行中の自動車」にワイヤレスで給電する技術です。聞いただけでもワクワクしませんか?
走行中ワイヤレス給電は、海外では街中や高速道路での実証実験がすでにおこなわれており、日本は一歩遅れを取っていますが、技術の面では負けていません! 東京大学教授の藤本博志博士らの研究チームにより、電気自動車の駆動装置と走行中ワイヤレス給電の受電回路のすべてをホイール内の空間に収納した「インホイールモータ」が世界で初めて開発されました。
駆動装置をホイールに収納することで、タイヤごとの制御が可能になり、雪道でのスリップなどを防ぐことが可能になります。これだけでもすごいですが、さらにワイヤレスで給電するというのだから驚きですよね。
この技術の最大のメリットは「電気自動車に搭載する電池が減ること」。少しでも走行距離を長くするには、たくさんの電池を搭載すれば良いのですが、現在、電気自動車に利用されているリチウムイオン電池は「ガソリンに比べると重い」「コストがかかる」「電池を作るための資源」「電池を作るときに排出される二酸化炭素」などの課題があり、搭載量は少ないほど良いのです。
では、どこで走行中ワイヤレス給電をおこなうのでしょうか。藤本博士らの研究によると、街中では走行時間のおよそ4分の1、すなわち1時間のうち5分程度は信号待ちをしているため、信号手前30mの範囲にコイルを埋めれば、かなり高い確率で充電できるとのこと。
また、高速道路だと10㎞あたり3㎞の区間にコイルを設置するとバッテリーの電力を消費せずに走行できるようになるのだとか。これなら、充電が不十分な状態で出発しても安心ですね。
