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車載バッテリー向け樹脂材料 バッテリー

Summary

  • 環境規制の強化・政策に伴い、電気自動車への注目が高まっています。
  • 電気自動車に欠かせない部品がバッテリーであり、バッテリーはセル・モジュール・パックという単位のユニットで構成されます。
  • エネルギー密度を高めるために、各構成ユニットの小型化・軽量化・高機能化が必要です。
  • 旭化成は、高機能なエンジニアリングプラスチックで車載バッテリー10年以上の実績があり、お客様のモノづくりを支援します。

旭化成からのご提案

自動車の電動化・EV化

欧州を中心とした環境規制・排ガス規制の強化が進み、グローバルでCO2削減強化が進められる中、クルマの電動化、xEV化については、国や地域で規制や方針が異なります。これまでも自動車に対するCO2排出規制は厳しく設定されてきましたが、今後のさらなる排出規制強化をエンジンの効率向上だけで対応することは困難になってきています。

 

そこで、自動車メーカー各社は電動化技術の開発と実装により、燃費改善を図っています。
この背景に加えて、多くの国・地域ではICE(Internal Combustion Engine、内燃機関)であるガソリンエンジン車とディーゼルエンジン車を規制する方針を示していることから電動車の普及は進むと予想されています。

 

最も規制が厳しいEUでは、2035年以降のICEの生産を実質的に禁止する改正案を発表しました。ここには、ICEとモーターを併用するハイブリッド車 (HEV:Hybrid Electric Vehicle)、プラグインハイブリッド車 (PHEV:Plug-in Hybrid Electric Vehicle) も含まれます。よって、欧州では急激に、バッテリー式電気自動車 (BEV:Battery Electric Vehicle) の開発が行われています。

 

その他の地域では、アメリカは2030年までに新車販売比率の50%をBEV、PHEV、燃料電池車(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)とする大統領令を発令しています。中国では、中国汽車工程学会が2035年にNEV車(BEV、PHEV、FCEV)が50%、低燃費車(HEV)が50%占めることが望ましいと発表しています。そして日本は、2035年までに軽自動車を含む新車販売の100%を電動車(HEV、PHEV、BEV、FCEV)と設定しています。(2022年2月時点情報)

エネルギー

電動化における部品の変化

電動車ではモーター、バッテリー、インバータの3点が主要パーツとなります。

 

従来のICEでは、燃料タンクからガソリンをエンジンに供給し、エンジンで発生させた回転・トルクをトランスミッションで調整してタイヤに伝えて走行しています。
これに対してBEVでは、エンジンがモーターに、燃料タンクがバッテリーに置き換わった構造となっており、バッテリーから供給される電気の電流・電圧・周波数をインバータで調整し、モーターないしは各種電機部品を動かしています。
また、HEVとPHEVは、ICEとBEV両方の駆動機構を搭載していますが、HEVとPHEVの違いは、外部からバッテリーの充電が可能かという点です。HEVは外部からバッテリーの充電ができず、動力としてはエンジンが主、モーターが従となります (一部ブレーキ時の回生エネルギー等を有効活用します)。PHEVは、外部からのバッテリー充電が可能であり、動力としてモーターを主、エンジンを従とした運転も可能です。

 

一般的に、ICEは走行時のCO2排出量が多く、BEVは走行時のCO2排出量が少ないという傾向があります。しかし、搭載するバッテリーの製造過程におけるCO2排出量や、車両だけでなく各国・地域の電源構成比などによっても異なる点を考慮し、総合的な環境への影響を考える必要があります。

 

これらの課題から、環境負荷を評価する方法として、LCA (Life Cycle Assessment) が広まりつつあります。LCAとは、資源の採掘・採取から廃棄・リサイクルまでの各段階で、自動車が環境に与える要因を定量化し、総合評価する手法です。LCAの考えが普及すると、製造時だけでなく、廃車・リサイクル段階での各種資源の回収のしやすさ・効率・仕組み等も重要となります。特にバッテリーにおいては、製造時のCO2排出や貴重な資源の有効活用の観点から、各種研究・実証実験が進んでいます。

電動車向けバッテリーの種類・構成

電動車の主要パーツであるバッテリーについて、もう少し詳しくご説明します。

 

バッテリーの種類にも様々なものがありますが、現在広く利用されている二次電池の中でもエネルギー密度・容量が高いと言われているリチウムイオン電池が電動車では多く適用・検討されています。その最大の特長はエネルギー密度・容量が高いことであり、小型化しながらも大きなエネルギーを供給できます。一方、リチウムイオン電池はそのエネルギーの大きさから安全対策が非常に重要となっており、各種安全規制・対策が厳しく設定・運用されています。

 

リチウムイオン電池の最小構成要素はセルと呼ばれます。セルには「円筒型(Cylindrical)」、「角型(Prismatic)」、「ラミネート or パウチ型(Laminate or Pouch)」の3つの形状があります。

 

  • 円筒型セル
    乾電池と同形状である、その名の通り丸い筒状の電池です。円筒型の金属筐体の中に、正極/負極/セパレータを重ねて巻き上げたロールと電解液を封入して作られます。円筒型は他の形状のセルよりも生産性に優れており、比較的安価と言われています。一方、円筒型はその形状から多数のセルを搭載しようとした場合に隙間が生じやすく、積載空間効率が悪くなりがちと言われています。
  • 角型セル
    四角い形状の金属筐体に、正極/負極/セパレータを重ねて巻き上げたロールと電解液を封入しています。四角い形状に起因する、機械強度や体積あたりのエネルギー密度が高いことが特長です。
  • ラミネート型セル
    円筒形セル・角型セルの金属筐体の代わりに、外装にラミネートフィルムを用いたものです。内部の電解液を従来の金属缶と同じ液体にしたものと、ゲルの中に電解液を封じ込めたポリマー風のものがあります。生産や品質管理が難しい側面もありますが、形状自由度の高さ・省スペース性が特長です。

 

このように、各セルの種類によって特徴が異なるため、設計思想・製造方法・用途等に応じた使い分けが必要となります。
特に電動車のように大きなエネルギー源としてバッテリーを機能させるためには、複数のセルをフレームやトレイ中に格納・組み合わせて、1つの大きな電池としてまとめあげた「モジュール」にする必要があります。複数のセルの電極部を結合していきますが、円筒形や角型の場合はバスバーという金属板を介します。 さらに、容量を上げるために複数のモジュール同士を接続させ、電圧・電流・温度を監視するBMS(Battery Management System、バッテリーマネジメントシステム)、バッテリー状態を計測する電流センサー・温度センサー・電圧センサー、冷却機構(空冷:ブロアー等、水冷:配管)、さらにこれらの部品を連結させるワイヤーハーネス・コネクター等を盛り込み、1つのバッテリーシステムとしてまとめたものを「パック」と呼びます。このパックは、自動車メーカーの要望(重量、容量、形状等)に応じて、様々な素材・形状で作られ、バッテリー本体を衝撃や振動から守っています。安全性を始めとした各種要求性能・規制を満たすようシステム設計がなされた上で、このパックが電動車に搭載されていきます。

旭化成からのご提案

電動車のバッテリーにおける1番の課題は、そのエネルギー密度を高めることです。エネルギー密度を高めることにより、スペース・重量を損なうことなく、車の航続距離を延ばすことができます。

下記は、旭化成のエンプラ材料における、車載バッテリー関連の用途事例です。

旭化成 車載バッテリー向け材料の用途事例

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