4680バッテリーとは何ですか？ 18650、21700との比較

2020年のテスラ・バッテリー・デーで、テスラは画期的な4680リチウムイオンバッテリーを発表し、大型バッテリー開発競争でトップの座を獲得しました。下の写真では、イベント中にイーロン・マスク氏の後ろのスクリーンにテスラ4680の主な特徴が映し出されています。4680という名称は、直径46mm、長さ80mmの円筒形形状であることを示しています。

Tesla 4680 は、Tesla ポートフォリオの直前の製品である 5 バッテリーと比べて、6 倍のエネルギーと 2170 倍の電力を供給します。テスラは 4680 により、車両ラインナップが 16% 増加すると予想しています。そして何よりも、4680 は構造的なバッテリーパックコンポーネントとして設計されています。これは、バッテリーパックが自動車の構造的負荷の一部を吸収し、それによって全体の軽量化が達成されることを意味します。

では、テスラはどのようにしてこのような大幅なパフォーマンス向上を達成することができたのでしょうか?これがテスラ電気自動車の未来なのでしょうか？費用はいくらかかりますか?大規模なバッテリースペースにいる他のプレーヤーは誰ですか?これらの質問やその他の質問に答えるために、4680 バッテリーの技術的特徴をさらに深く掘り下げてみましょう。

テスラの 4680 バッテリーの主な特徴

ビッグサイズでさらにパワーアップ

バッテリーについてまず目に付くのはその大きさです。4680の体積は2170の5.5倍です。これにより、より大きなジェリーロールを収容できます。バッテリー用語でジェリーロールとは、カソード、セパレータ、アノードのシートの間に電解質ゲルを挟んだ多層円筒形のサンドイッチロールのことです。ジェリーロールが大きいほど、活性電荷キャリアと電極表面積が増加します。これは、各セルからの電力貯蔵と供給量の増加につながります。図2はジェリーロールの概念を示しています。

タブレットバッテリー

Tesla 4680は、特許取得済みのタブレス設計を採用しており、内部電気抵抗を大幅に低減しています。タブとは、アノードとカソードの電極シートに溶接された導電性の金属片またはストリップのことです。図3は、2つのタブを備えたバッテリーを示しています。

タブは、外部回路とバッテリー電極の間で電子が流れる接合部です。充電中、巻き取られたカソードシート全体に埋め込まれたリチウム原子が電子を放出します。同様に、セルの放電中、ゼリーロールのアノードシート全体に埋め込まれたリチウム原子が電子を放出します。どちらの場合も、これらの電子は外部回路に入るためにそれぞれのタブに移動する必要があります。

大型バッテリーの課題は、電子の経路が長くなると、より多くの熱が発生し、オーム抵抗による電圧降下が発生することです。バッテリー設計者は、この問題を軽減するために複数のタブを密に配置することを試みました。ただし、これらは製造が難しく、溶接中に電極が損傷するリスクが高くなります。テスラは、タブを完全に廃止することで、この問題に対する独創的な解決策を見つけました。代わりに、4680 バッテリーには、図 4 に示すように、アノードシートとカソードシートの端全体に沿って延びる導電性ストリップがあります。

このようにして、アノードシートとカソードシートのエッジ全体がタブと同じ機能を実行できるため、電気抵抗と発熱が大幅に減少します。

新しい化学

テスラは、4680バッテリーに新しい化学組成を採用することで、性能を大幅に向上させ、コストを削減すると発表した。今後は、カソードには実績のあるニッケル80%、コバルト10%、マンガン10%のリチウム酸化物（NMC-811と呼ばれる）は使用しない。代わりに、4680バッテリーのカソードは、ニッケル含有量が大幅に高く、コバルト含有量が低いものになる。目標とするカソード組成はNMC 955で、ニッケル90%、マンガンとコバルトがそれぞれ5%である。ニッケル含有量が高いとエネルギー密度は向上するが、電極の安定性に問題が生じる。テスラはこの問題を克服した可能性がある。コバルト含有量を減らすことは、世界のコバルトの70%を供給するコンゴ地域への依存度を下げるために必要であり、カソードのコスト削減にもつながる。

テスラのアノード化学の改善には、グラファイトを実質的または完全に生の冶金シリコンで置き換えることが含まれます。必要なグレードのシリコンは地殻に豊富に存在し、比較的安価であるため、シリコンに切り替えることで陽極のコストが削減されます。シリコンアノードの問題は、充電および放電サイクル中にリチウム原子がアノードに入ると体積が膨張することです。これにより、最終的には電極が破壊されます。しかし、発表を踏まえると、テスラは解決策を見つけたようだ。

全体として、テスラはこれらの化学革新によりバッテリーコストの削減と航続距離の増加を期待しています。

厚みのあるスチールケース

テスラは、4680 の対応物と比較して、2170 にはるかに厚いスチールケースを使用しました。これは、これらのバッテリーが構造バッテリーパックに取り付けられ、より高い機械的負荷に耐える必要があるためと考えられます。これを衝撃による損傷に対する追加の保護とみなすこともできます。

長所と短所

テスラの発表の中にはマーケティング上の誇大広告もあるかもしれないが、2022年1月までに4680バッテリーのセルを100万個生産したという事実は変わらない。昨年、2023年第1四半期決算発表後の決算説明会で、第2世代4680セルを製造するテキサス・ギガファクトリーの建設が順調に進んでいることを確認した。これにより、テスラは4680バッテリー事業において明確なリーダーとしての地位を確立した。

多くの大手バッテリーメーカーが4680フォーマットのバッテリー設計を開発しており、中には量産規模の投資を進めている企業もあります。そのため、4680バッテリーは間もなく電気自動車業界に大きな変革をもたらすでしょう。では、これは一般消費者にとってどのような意味を持つのでしょうか？現時点で分かっていることを踏まえ、メリットとデメリットを見ていきましょう。

メリット

テスラの 4680 は、エネルギー密度の向上、バッテリーの化学的性質の向上、構造的なバッテリー設計による車両全体の軽量化により、走行距離の増加と kWh あたりのコストの削減を実現すると約束しています。
Tesla 4680 の走行距離は少なくとも XNUMX 万マイルと予想されており、これは平均的なユーザーが車の寿命で運転する距離をはるかに上回ります。
バッテリー設計には、Tabless 設計による優れた放熱や製造欠陥のリスクの低減など、強化された安全機能が組み込まれています。
テスラはすでに数百万の第一世代 4680 セルを生産しており、この新しいバッテリーで貴重な製造および運用経験を積んでいます。テキサスにある同社のギガファクトリーは、4680 の改良版を提供する予定です。バッテリー設計は成熟しており、所有または投資のリスクが軽減されます。

デメリット

現時点では、4680 は価格約 60,000 ドルの新型 Tesla Model Y のみを対象としています。これは多くの人にとって手頃な価格ではないかもしれません。
新しいバッテリーの化学的性質に関する主張は、NMC 4680 とグラファイトと思われる第 811 世代の 4680 バッテリーには実装されていません。テスラの高ニッケル、高シリコン XNUMX セルが市場に投入されるまでには時間がかかる可能性があります。
競合他社は、より優れた 4680 バッテリー設計や、ナトリウムイオン電池や全固体電池などの他のオプションを考案する可能性があります。

円筒型電池セルの進化

2019年に行われた吉城明氏のノーベル講演会では、リチウムイオン電池技術の進化をたどった。 1990 年代には携帯電話が登場し、新しく発明された軽量でエネルギー密度の高いリチウムイオン電池に最適なものになりました。初期の市場は、2010 年に電気自動車市場に導入されるまでは完全にパーソナルエレクトロニクス分野でした。彼の講演で引用された図 5 は、2010 年以降のリチウムイオン電池市場の成長を示しています。電気自動車が 2025 年までにいかに劇的に市場シェアを独占すると予測されているかがわかります。

リチウムイオン電池を使用して市販された最初の電気自動車は日産リーフでした。第一世代モデルは 2010 年から 2017 年まで生産されていました。フラットラミネート型リチウムイオン電池を使用していました。電池用語で言うと「パウチ形式」です。最新の日産リーフでは引き続きパウチ型バッテリーが採用されています。

現在、電気自動車メーカーが使用しているバッテリーの形状は、ポーチ型、角型、円筒型の 2020 つです。40 年の乗用車カテゴリーにおける各バッテリー型の市場シェアは、角型 ~35%、ポーチ型 ~15%、円筒型 ~XNUMX% でした。。

テスラは、電気自動車に円筒形のリチウムイオン電池を初めて使用しました。最初は比較的安価で実績のある Panasonic 18650 から始まり、その後 2170 フォームファクタに移行しました。現在、より大きな 4680 セルに移行しています。 BMW や CATL などの他のメーカーも後に円筒形バッテリーを採用しました。しかし、市場を牽引しているのはテスラであり、円筒形リチウムイオン電池の進化はテスラの進化を反映しています。図 6 は、テスラの成長を支えている円筒型電池の例を示しています。

消費者にとって最終的に重要なのは、経済性と所有の利便性です。テスラは世界最大の電気自動車メーカーであり、その成功への道には円筒形リチウムイオン電池の使用が関係していました。そこで、消費者の観点から、テスラ車に電力を供給する 3 つの円筒形セルを比較してみましょう。

4680 バッテリー vs 18650 バッテリー

最年少で最大のテスラバッテリーは、最も古くて最小のバッテリーとどう違うのでしょうか?これに答えるために、4680 バッテリーと 18650 バッテリーを比較してみましょう。

	4680	18650	備考
容量（最大）	25000ミリアンペア時	3500ミリアンペア時	より高い mAH により、4680 は再充電間の寿命が長くなります。
エネルギー密度（セル）	276～333wh/kg	250Wh/kg	4680 はより多くの電力を供給できます。
サイズ	直径46mm ×高さ80mm。	直径18mm ×高さ65mm。	サイズが大きいため、4680 にはより大きなゼリーロールが含まれており、より多くのエネルギーを蓄えることができます。
スチールケースの壁の厚さ	0.5〜0.6 mm	mmまで0.22 0.28	4680 は衝撃に耐えるためのより高い機械的強度を備えています
サイクル寿命	1000-2000	1500-4000	4680 は 18650 よりもサイクル寿命が短いですが、必要な充電頻度は少なくなります。
正味重量（最大）	355のGMS	50のGMS	4680 はより重いので、より大きな車に適しています。

4680 バッテリー vs 2170 バッテリー

2170 バッテリーはテスラの進化の歴史において 4680 の直前のものであるため、以下の比較は興味深いはずです。

	4680	2170	備考
容量（最大）	25000ミリアンペア時	5600ミリアンペア時	より高い mAH により、4680 は再充電間の寿命が長くなります。
エネルギー密度（セル）	276～333wh/kg	276～300wh/kg	違いはあまりありません。
サイズ	直径46mm ×高さ80mm。	直径21mm ×高さ70mm。	サイズが大きいため、4680 にはより大きなゼリーロールが含まれており、より多くのエネルギーを蓄えることができます。
スチールケースの壁の厚さ	0.5〜0.6 mm	mmまで0.22 0.34	4680 は衝撃に耐えるためのより高い機械的強度を備えています
サイクル寿命	1000-2000	1500	同様のサイクル寿命
正味重量（最大）	355のGMS	70のGMS	4680 はより重いので、より大きな車に適しています。

結論

テスラが発売した新しい 4680 バッテリーは、その出力と航続距離が強化されているため、まさにゲームチェンジャーです。安全機能がさらに良くなりました。重要な要素はバッテリーのコストであり、これはカソードとアノードの低コスト化に成功するかどうかにかかっています。