先月シカゴで寒波が発生したため、電気自動車（EV）のドライバーは充電ステーションに何時間も並ぶことを余儀なくされた。列に並んで待っている間にバッテリーが切れて立ち往生した人もいた。または充電式ほとんどの電気自動車に動力を供給するリチウムイオン電池は寒さでは性能が低下するため、世界中の科学者や自動車メーカーは解決策の模索に追われています。これらには、最大限のパフォーマンスを保証するためのより洗練されたコンピューター モデルや、路面が凍っていても灼熱でも車の走行とドライバーの安全を保つ強力なバッテリーが含まれます。
このようなアップグレードは、約束された電気自動車革命に対する大きな障壁に対処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電気自動車の保有増加に取り組んでおり、大統領は米国で販売される新車の半分が電気自動車になると予想している。しかし、シカゴでの自動車の失速など、最近の事故は、将来の気候がさらに極端になるにつれて、現在の電気自動車技術がどのように失敗するかを示しています。気候変動により地球の平均気温は上昇し続けていますが、これにより地球の気候を長年支配してきたパターンが混乱するため、全体的な温暖化が寒波の悪化につながる可能性があります。
「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科学者ポール・ガスパーは言う。科学者は一般に、リチウムイオン電池は華氏 32 ～ 140 度 (摂氏 0 ～ 60 度) の比較的狭い温度範囲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、屋外が華氏20度（摂氏マイナス7度）になると、電気自動車の平均航続距離は華氏75度（摂氏24度）での航続距離と比べて12パーセント低下する。その理由を理解するには、電気自動車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。
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体温チェック
電気自動車のバッテリーが取り外されると、電荷を運ぶリチウムイオンが電解液中を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。そのため、車が通勤中に蓄電池の電力を消耗すると、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り道が厚くなり、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、アノードの表面にリチウム イオンが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クラスターは、バッテリーをショートさせ、さらには爆発を引き起こす可能性があります。 (それでも、電気自動車が発火することはガソリン車に比べて比較的めったになく、研究者らは自動的に電源をオフにするバッテリーの設計を研究しています。)
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負荷を軽減します。また、ドライバーが車室内暖房のスイッチを入れると、バッテリーは HVAC システムや、デフロスターやシート ヒータ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寒さの影響を受けます。米国エネルギー省によると、摂氏 25 度 (華氏 77 度) で得られる燃費と比較して、華氏 20 度では燃費が 15% 低下します。しかし、EV の等価損失は華氏 20 度で 39% に達する可能性があります。
非常に暑い日は、電気自動車のパフォーマンスに悪影響を与える可能性もあります。温度が高くなるとイオンの移動が加速され、ある時点で不要な化学反応が連鎖的に発生し、車の寿命にわたって電解液を含むバッテリー部品が劣化する可能性があります。 AAA の報告書によると、外気温が 95 度 (35 度) に達し、ドライバーがエアコンを強めると、航続可能距離は 17% 減少する可能性があります。
AI設定
車のソフトウェアを操作すると、すでに市販されているバッテリーをより有効に活用できます。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電気自動車は、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することを保証します。これらの人工知能プログラムは、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回避し、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予測します。テスラには、車両がバッテリーを適切な充電温度まで加熱または冷却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ギャスパー氏は言います。
まず、時間の経過とともに劣化するバッテリーの状態を考慮して、より適切にカスタマイズできる可能性があると彼は説明します。同氏はまた、AI モデルを使えば、車やドライバーにリスクをもたらすことなく、（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で）より広い温度範囲で車を成功させることができると考えている。これらのモデルが改良されるにつれて、「より広い動作範囲で」バッテリーを安全に管理するために電気自動車にもっと依存できるようになる、とギャスパー氏は言う。
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おおよその情報しか提供できないという。そのため、EVドライバーは走行距離の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、シカゴでは、車のバッテリー残量が30マイルあったにも関わらず、ウーバーのドライバーが立ち往生した。
しかし、最も賢い AI モデルでは、自動車をこれまでのところまでしか前進させることができない、とギャスパー氏は言います。電気自動車を極度の温度に耐えられる次のレベルに引き上げるには、バッテリー技術自体の進歩も必要です。
より良いバッテリー
科学者たちはバッテリーの耐候性を高めるためのさまざまな戦略をテストしています。有望な方法は電解質を改良することである。カリフォルニア大学サンディエゴ校の材料科学者兼技術者であるチェン・チェン氏とその同僚らは、最低温度-40度F（摂氏）から最高122度華氏（摂氏50度）までの温度での実験室試験で良好な性能を発揮する新しい電解質を開発したと、研究者らが2022年に発表した研究結果によると、
研究チームは、リチウム塩をジブチ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。ジブチルエーテルはリチウムイオンの周囲を容易に通過し、氷点下や超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っ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、この種の配合がおそらく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、技術の進歩に追いつき、たとえばより手頃な価格の部品やより優れた自律性を確保するために材料を継続的に変更しています。市販されているすべての電池材料と溶媒や金属塩を組み合わせることはできない、とチェン氏は言います。
さまざまな現実世界の条件下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ギャスパー氏は言う。研究者らは、製薬業界ですでに創薬に使用されている技術にヒントを得て、候補物質を試験するロボットをプログラムした。
専門家の中には、電気自動車が寒さをしのぐ別の方法として、自己発熱バッテリーが考えられると考えている人もいます。 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遮断するニッケル箔を組み込むことで、そのような電池を作成したと発表した。捕らえられた電子はブレードを加熱し、ひいてはバッテリー全体を加熱します。科学者らは、これによりマイナス58度（摂氏マイナス58度）の低温でもバッテリーを急速充電できる可能性があると述べている。車のエンジンからの電流パルスを利用するなど、他のアプローチでもバッテリーを加熱して、寒さの中でより速く充電することができます。
しかし、電気自動車のエンジニアは、「E 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。 e 手頃な価格と耐久性を維持します。 「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素に異なるアプローチをとります。たとえば、手頃な価格よりもパフォーマンスを重視し、より高価なバッテリー材料を組み込んでいる企業もあります。より高価な電気自動車の走行距離が長くなる傾向があるのはこのためです。
最終的には、特定の国や世界の気候に合わせてバッテリー設計を調整する方が良いかもしれない、とギャスパー氏は示唆する。極地に近い気候のドライバーは、寒さに適したバッテリーを使用するでしょう。一方、耐熱バッテリーは、赤道地域に住む人々にとって特に重要です。そこでは、熱によって促進される化学反応の加速によりバッテリーが劣化する可能性があり、世界平均より所得が低い地域では長期的に電気自動車のコストが高くなる可能性があります。 「これは経済的正義の問題です」とギャスパー氏は言う。業界はまだそこまで到達していませんが、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。
