このようなアップグレードは、提案されている EV 革命における大きなハードルを克服することを目的としています。バイデン政権は温室効果ガス排出量削減に向けた野心的な取り組みとしてEV所有の増加に取り組んでおり、大統領は2030年までに米国で販売される新車の半分がEVになると予想している（2023年上半期の自動車販売の約8％から増加）。しかし、シカゴで起きた自動車の失速など、最近の事故は、将来の天候がさらに厳しくなるにつれて、現在のEV技術がどのように低迷する可能性があるかを示している。気候変動により地球の平均気温は上昇し続けているが、これにより地球の天候を長年制御してきたパターンが崩れ、全体的な温暖化が寒さの悪化につながる可能性がある。

「極度の寒さはバッテリーの充電に安全上のリスクをもたらします」と国立再生可能エネルギー研究所の電気化学エネルギー貯蔵グループのスタッフサイエンティスト、ポール・ガスパールは言う。科学者は一般に、リチウムイオン電池は比較的狭い温度範囲（摂氏マイナス 60 度）約 32 ～ 140 度で使用しても安全であると考えていますが、推定値はさまざまです。米国自動車協会が2019年に発表したところによると、外気温が華氏20度（摂氏マイナス7度）に達すると、EVの平均航続距離は華氏75度（摂氏24度）に比べて12パーセント減少する。これを理解するには、EVのバッテリーに電力を供給する化学を深く掘り下げる必要がある。

科学ジャーナリズムの支援について

この記事を気に入っていただけた場合は、受賞歴のあるジャーナリズムをサポートすることを検討してください。 購読 購読を購入することで、今日の世界を形作る発見やアイデアに関するインパクトのあるストーリーを未来に確実に届けることができます。

体温チェック

EV バッテリーが充電されているとき、電荷を運ぶリチウム イオンは、液体電解質を通って各バッテリー セルの一方の端からもう一方の端 (正極と負極の間) に移動します。その後、車が走行中にバッテリーに蓄えられたエネルギーを消費するのと同じように、イオンは逆方向に戻ります。バッテリーが冷えると（寒波などで）、アノードとカソードの間の液体の通路が厚くなり、イオンの速度が遅くなります。つまり、バッテリーが低温の場合は充電に時間がかかり、気温が低い場合よりも早く充電が失われる可能性があります。

華氏 32 度未満で車を充電すると、粒子が十分に速く移動できないため、リチウムイオンがアノードの表面に蓄積する可能性があります。メッキと呼ばれるこれらのイオンの塊は、バッテリーをショートさせ、さらには爆発する可能性があります。 (それでも、電気自動車はガソリン車に比べて発火することが比較的まれであり、研究者らは自然消火するバッテリーの設計を研究中です。)

さらに、EV 全体が温度を上げるために長時間稼働します。バッテリー、電気モーター、その他のコンポーネントの温度を制御する熱管理システムも、充電の流れを維持します。また、ドライバーがキャビンの暖房をオンにすると、バッテリーは HVAC システムや、デフロスターやシート ウォーマーなどの他のデバイスに電力を供給する必要があります。内燃機関を搭載したガソリン車も凍結に悩まされます。米国エネルギー省によると、20 °F では 77 °F (25 °C) に比べて燃費が約 15 パーセント低下します。しかし、EVの等価損失は華氏20度で39パーセントに達する可能性がある。

非常に暑い日もEVの性能に悪影響を与える可能性があります。高温はイオンの移動を加速し、ある時点で意図しない化学反応のカスケードを開始し、車の寿命にわたって電解液を含むバッテリーコンポーネントを劣化させる可能性があります。 AAA の報告によると、外気温が 95 °F (摂氏 35 度) に達し、ドライバーがエアコンの温度を上げた場合、航続可能距離は最大 17% 減少する可能性があります。

AI変換

車のソフトウェアをいじることで、すでに市場に出ているバッテリーを最大限に活用できます。洗練された車載コンピューターを搭載したテスラやその他の EV は、複雑な人工知能モデルを使用して、バッテリーが安全かつ効率的に動作していることを保証します。これらの AI プログラムは、温度センサーと電圧センサーからのデータを分析してバッテリーの過充電を防ぎ、残りの充電量で車がどれくらいの距離を走行できるかを推定します。テスラには、車がバッテリーを適切な充電温度まで温めたり冷やしたりするプレコンディショニングと呼ばれる機能もあります。しかし、これらのモデルにはいくつかの改善が必要だとガスパール氏は言う。

まず、時間の経過とともに劣化するバッテリーの状態を念頭に置いて、バッテリーをより適切に最適化できると彼は指摘します。同氏はまた、AI モデルは、車やドライバーにリスクをもたらすことなく、さまざまな温度環境で車が成功するように動機づけることができる (たとえば、冷却剤を分配したり、ファンを制御したりすることによって) ことができると信じています。これらのモデルが改良されるにつれて、「可能な限り広い動作範囲で」バッテリーを安全に管理するためにEVにさらに依存できるようになる、とガスパール氏は言う。

スコットランドのストラスクライド大学の電気技術者、I・サファク・バイラム准教授によると、現時点ではAIモデルはドライバーにバッテリーの現在の充電レベルと状態の推定値しか提供できないという。そのため、EVドライバーは車両の走行可能距離推定値が突然低下することがよくあると同氏は付け加えた。今年 1 月、ウーバーのドライバーが、車のバッテリーが 30 マイル残っていたにもかかわらず、シカゴで立ち往生しました。

しかし、スマート AI モデルが自動車を進化させることができるのは、現時点では限界があるとガスパール氏は言います。極端な温度に耐えるEVを次のレベルに引き上げるには、バッテリー技術の進歩も必要です。

より良いバッテリー

科学者たちは、バッテリーを耐候性を高めるためにいくつかの戦略を試みています。電解質の改善は有望なアプローチです。カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らが2022年に発表した研究結果によると、カリフォルニア大学サンディエゴ校の材料科学者兼エンジニアのジェン・チェン氏らは、華氏マイナス40度（摂氏マイナス40度）の低温から華氏50度までの実験室試験で良好に機能する新しい電解質を開発した。

研究チームは、リチウム塩をジプロピルエーテルと呼ばれる溶媒と混合することでこれを達成した。ジプロピルエーテルはリチウムイオンの周りを容易に通過し、氷点下や極度の高温でも液体のままである。このレシピは有望ですが、市販のバッテリー部品を使用して大規模に機能するかどうかを判断するのは困難です。そして、おそらくこのタイプの配合が唯一の解決策ではありません。自動車メーカーはリチウムイオン電池にさまざまな材料を使用しており、技術の進歩に合わせて、たとえばより経済的な部品やより長い航続距離を確保するために材料を常に変更しています。チェン氏は、市販されているすべての電池材料に匹敵する溶媒や金属塩は存在しないと述べています。

現実世界のさまざまな条件で優れた電解質やその他の材料を見つけるのは難しいが、人工知能が発見プロセスのスピードアップに役立つ可能性があるとガスパール氏は言う。研究者らは、製薬業界が創薬候補物質の試験にすでに使用している技術に触発されてロボットをプログラムした。

一部の専門家は、自己発熱バッテリーがEVの凍結を防ぐ別の方法になる可能性があると考えている。 2018年、ペンシルベニア州立大学の科学者らは、電池が室温以下に下がったときに電子を捕捉するニッケル箔を組み込んだ電池を作成したと発表した。捕捉された電子はフォイルを加熱し、その結果、バッテリー全体が加熱されます。科学者らによると、これにより最大華氏マイナス58度（摂氏マイナス50度）の温度でもバッテリーを急速充電できるという。車のモーターからの電流パルスを使用するなどの他のアプローチでは、バッテリーを加熱して寒さの中でより速く充電できます。

しかし、EV エンジニアは、「最終問題」と呼ばれるジレンマに直面しています。それは、さまざまな環境で効率的に動作するバッテリーを設計するのが難しいということです。 そして 手頃な価格で長持ちします。 「私たちはコスト、パフォーマンス、セキュリティのバランスをとろうとしています」とチェン氏は言います。自動車会社は、優先順位に応じて、これらの要因に対して異なるアプローチを取る場合があります。たとえば、手頃な価格よりも高性能を重視し、より高価なバッテリー材料を組み込む人もいます。高価なEVの走行距離が長いのはこのためです。

結局のところ、ガスパール氏は、国内および世界中の特定の気候に合わせてバッテリー設計を調整することが最善であるかもしれないと示唆しています。極地付近のドライバーは、寒さに適したバッテリーを使用することになります。一方、熱に強いバッテリーは、赤道地域に住む人々にとって特に重要になります。そこでは熱によって引き起こされる激しい化学反応がバッテリーを劣化させる可能性があり、所得が世界平均を下回る地域では長期的なEVコストが上昇する可能性があります。 「これは経済的正義の問題です」とガスパール氏は言う。業界はまだそうなっていませんが、EVの専門家は解決する必要がある問題であると認識しています。