2020 Annual Shareholder Meeting and Battery Day（YouTube）

着実に進む温暖化

バッテリー・デーのオープニングは先日山火事のせいで、まるで火星のように赤く染まったサンフランシスコの様子から始まりました。大気中の二酸化炭素の濃度は急激に上昇しており、早く再生可能エネルギーに移行しなければいけないと警告されます。

そのためにはソーラーパネルで発電した電気を貯めて、電気自動車（EV）などで使う必要がありますが、それには莫大な量のバッテリーが必要になります。世界中の車をすべてEVにするには、年間10テラワットアワー（TWh）のバッテリーが必要になり、電力網も同様に約10TWh必要です。
※非常に大きな単位を扱いますが、1テラ＝1000ギガです。

現在増築中のネバダ州にあるギガファクトリーは、現在約30ギガワットアワー（GWh）のバッテリーを生産しており、完成すると150GWhに達する予定ですが、目標の20TWh（2万GWh）には一体いくつ工場を作ればいいか分かりません。

バッテリーを大量に生産できても、コストが高ければ誰も買えません。バッテリーのキロワットアワー（kWh）あたりのコストは年々下がっていますが、最近は下落幅も小さくなってきました。一般的に1kWhあたり＄100を切るとガソリン車よりもEVがお得と言われていますが、ご存知の通りまだEVは手を出しづらい価格帯です。

テスラではバッテリーの製造方法をイチから考え直し、1kWhあたりの単価を半分にする計画を立てたことが説明されました。

この5本の柱で目標を達成します。

・バッテリーセルの設計
・バッテリー工場
・負極の素材
・正極の素材
・車両への搭載方法

バッテリーセルの設計

最もかんたんにバッテリーのコストを下げる方法は、サイズを大きくすることです。しかし、そうかんたんには行きません。

円筒形バッテリーは、中に1mほどの長いアルミホイルが巻かれているような構造になっており、両端に繋がっているのはタブと呼ばれる僅かな出っ張りだけです。

グレーの長方形の中で、すべての電子が上部のタブから電極まで移動しなくてはいけないため、端の方からはとても距離があり、移動の際に多くの熱を発します。バッテリーの直径を大きくすればkWhあたりのコストは下がりますが、発熱も増え、直径が大きいと中心部の冷却も難しくなります。

そこでテスラが考えたのがタブを廃して、上端をすべて電極にすることでした。これにより発熱量が大幅に下がり、銅箔の熱伝導効率も良いため中心部の冷却が可能になり、大径バッテリーを利用できるようになりました。

様々な寸法の組み合わせから、最もコストが安く、航続距離が長くなる組み合わせが直径46ミリ、長さ80ミリ、つまり4680型であることが分かりました。このサイズに変更するだけで、従来のバッテリーの5倍のエネルギー、6倍の出力、そして航続距離にして16％の向上が見込まれます。

このセルはすでにカリフォルニア州のフリーモント工場のすぐそばにある施設で実験的に製造されており、1年後には年間10GWhのバッテリーを生産できるようになる予定です。

このように、セルの設計を見直したことでkWh単価を14％削減することができました。

バッテリー工場

次にバッテリー工場を見てみましょう。下図はバッテリーの製造工程に必要なオーブンの様子です。先ほど説明したぐるぐる巻きのアルミホイルは、巻く前に電解質を塗ってコーティングを焼き付けます。その際に有機溶剤も使用するので、図の右側の施設で有毒な溶剤を回収します。

小さくて見えにくいですが、オーブンの左側にある小さな点が人間のサイズですから、相当な規模の施設だということが分かります。

これをテスラではすべて撤廃し、去年買収したMaxwell社のドライ電極技術に置き換えるため、工場のサイズと使用電力が10分の1になります。

パイロット工場をネバダのギガファクトリーと比較すると、こんなに小さいのに生産能力は現在のギガファクトリーのの3分の1も予定されていることに驚かされます。

現在は第4世代の試作ラインで、まだ歩留まりが高くないですが、恐らく第6または第7世代で量産体制が完成すると見られています（ライン1世代＝3～4ヶ月）。

工場の効率はいかにラインを高速で稼働させられるかで決まりますが、タブレス電極を採用したことで、すぐにちぎれてしまう繊細なタブを製作する際にライン速度を落とす必要がないため、従来よりも7倍能力が向上し、1ラインで20GWh（年間）を達成できます。

テスラでは工場の立米あたりの生産効率をKPIとして見ており、その効率の高さで世界一のものづくりを目指しています。日本のように品質を前面に押し出した「ものづくり」ではないですが、社の目標を達成するためには実に合理的な考え方だと思います。

そして新しい工場によって、2022年には100GWh、2030年までに3TWhの生産目標を掲げています。もちろん目標は20TWhなので、これまで通りパナソニック、LG化学、CATLにも協力を仰ぎ、全速力でバッテリーを生産します。

このセグメントでは18％の節約効果があり、先程の項目と合わせて32％のコスト削減になります。

負極の素材

テスラの新しいバッテリーにはシリコンを添加します。資源として豊富なこと、そして現在負極に使用されているグラファイトよりも9倍リチウムを蓄えられることがその理由になります。ただ、シリコンはリチウムを挿入すると体積が4倍になり、負極を破壊してしまいます。

これを解決するにはSiOガラスやシリコンガラスなどのソリューションがありますが、テスラでは金属級シリコンを安価なポリマーコーティングで覆って、弾性のあるバインダーで結合するアプローチです。シリコンの使用量を上げたことで、従来よりも20％航続距離が伸びます。

このセグメントでは5％の節約効果が得られ、現在、合計で37％のコストダウンになっています。

正極の素材

次に正極です。正極は本棚のようなものだと考えてください。本棚が正極で、リチウムイオンがそこに並べる本です。バッテリーの充放電を繰り返すことは、本を取り出したり、再び並べたりするようなものだと考えてください。頑丈な本棚を作れば、それだけ多く本を出し入れできる（＝バッテリーの充放電を繰り返せる）ということです。

本棚の強度を上げるにはコバルトを添加すればいいのですが、以前コチラの記事でご紹介したように、業界はいま脱コバルトの方向に進んでいます。

ニッケルだけで本棚の剛性を確保する事が重要で、テスラでは新開発のコーティング剤や添加物を使用して、コバルトフリーの正極の開発に成功しました（写真を見る限りでは多結晶のようですね）。

しかし、コバルトほどではないにしても、ニッケルもまた希少資源なので、今後はすべての車をハイニッケルバッテリーにするのではなく、航続距離や要件に合わせて適材適所でリン酸鉄バッテリーやニッケル・マンガンも使用します。（ニッケル・マンガンはコバルトフリーなので、NMC210という表記になるのかな？）

もう一点、正極の製造工程も見直されました。鉱山では様々な業種で使用できるように、掘り出した金属を金属塩のかたちにして出荷します。これに再び薬品や大量の水を加えて正極を作りますが、最後に残るのはごく僅かな量の正極と大量の工場排水と副産物です。中間の無駄な工程を省くことによって設備投資を66％減、製造コストを76％減、工場排水をゼロにすることができます。

金属塩のステップを抜かしたことで、バッテリーリサイクルで得られたニッケルもそのまま利用でき、かつ、ニッケルにリチウムを予め加えることでさらなるコスト減を達成します。

リチウムに関しては、リチウムを含む泥に食塩を混ぜてリチウムを抽出する手法を開発し、ネバダ州にある40km2ほどの土地で、景観を損ねることなくリチウムだけを取り出す事業に乗り出しました。同時に、ノースカロライナ州のピードモント・リチウム社との5年契約を交わし、バッテリー素材を地産地消する戦略にでました。

このセグメントでは12％の節約効果があり、これで合計49％です。

車両への搭載方法

このセグメントは中国の工場で生産されるモデル3がCATL製の角形電池を採用するという情報が出た頃から噂されていた変更点ですが、現在のEVのバッテリーはセル（バッテリー単体）が集まってモジュールになり、モジュールを合わせてバッテリーパックにしています。初代ロードスターなどの頃は、セルが不良を起こした場合、パック全部を交換しなくても済むようにモジュールを採用していました。しかし今ではセル不良もほとんど起きないため、モジュールの意味がなくなっていました。そこに目をつけたテスラはセルそのものをシャシーの構造の一部にしてしまうことを考えつきます。

これには熱処理の必要がない新型のアルミ合金が必要でしたが、テスラはスペースXと材料工学チームを共有しているため、難なく新素材を開発することに成功しました。

F1やスペースシャトルなどはハニカム構造の芯材をサンドイッチすることで軽量、高剛性を達成しています。テスラの新型シャシーも同様にバッテリーセルの壁が芯材となり、上下をシートメタルでつなげることで強度を上げます。

上から見た際の、車の重心が中心に集まるため、極慣性モーメントが下がり、車の回頭性も上がります。将来的にこのデザインは業界標準になり、これを採用しない車は売れないようになるとの（フロアまで曲がるような側面衝突事故に合ったら廃車なのでしょうね）説明がありました。

このセグメントでは7％の節約効果があり、これでトータル56％のコスト削減になります。

【期待されるメリットのまとめ】
・航続距離は最大54％向上
・バッテリーのkWh単価56％低下
・GWhあたりの投資額69％低下

これにより、なかなか1kWhあたり＄100を切らなかったバッテリーコストが一気に＄70以下に落ちる計算になります。

もちろん、明日からいきなりそうなるわけではなく、12～18ヶ月でメリットが現れ始め、3年後に完全量産体制にこぎつける見込みということです。

今後の展望

まず、バッテリーコストを引き下げたことで、モデル3よりもさらに安価な25000ドルのコンパクトカーが実現します。

1点注目してほしいのが、単純に300万円のガソリン車と比較してはいけないことです。EVはメンテナンス代がほとんどかからず、ガソリンと比べて格安で運用できます。しかも、最先端の運転支援システムも備わっているため、運転する楽しさや快適さを含めて同クラスのガソリン車で勝てるモデルは無いでしょう。

そしてハイエンドモデルでは、モデルチェンジが切望されていたフラッグシップセダン、モデルSもPlaid（注：発音はプレイドではなく「プラッド」）が登場、

・0-100km/h　2.1秒未満
・最高時速　320km/h
・0-400m　9秒未満
・最大出力　1100ps以上
・航続距離　840km以上（EPA？）
・駆動系　3モーター
・価格　約1700万円

先日発表されたルーシッド・エアのラグナセカ・レースウェイでのタイムを3秒詰めた1分30秒3を記録し、さらに数秒削れる見込みのため、来年末に発売されたら恐らく量産車最速タイムになるでしょう。

日本での発売は2022年になるでしょうけど、左ハンドルでもいいから早く輸入してほしいですね。

Q&Aの抜粋

Q&Aで説明された内容も簡単に列記しておきます。

・ドイツのギガ・ベルリンでもバッテリーを作る。拠点ごとに入手しやすい資源を利用することがコストカットの秘訣。

・最新のモデルYに採用されている画期的なヒートポンプの技術を使って、そのうちエアコン業界に進出する。住宅からビルまで対応可能で、技術として必要なパーツは揃っている。

・V2X（EVから逆に家や送電網に電気を戻す）は予定していない。これは設置型バッテリーPower Wallに任せたほうが良い。しかし売電アルゴリズムを使ったマネタイズ計画はある。

・バッテリーが足りないメーカーにはテスラのバッテリーを卸してもよい。（テスラ自身足りていないんだから、これはリップサービスに違いないです）

・リン酸鉄バッテリーでもシャシー一体型バッテリーを作れる。リン酸鉄バッテリーは資源が豊富にあるので安価に量産可能。また、シリコン増量の負極も利用可能。（これはかなり安価なモデルが登場する予感がします）

・調査によると、ここ数年、学生たちの就職先人気No1-2はテスラとスペースX。世界で最も優秀な人材が集まり、さらなる革新を進める。

まとめ

速報といいつつ、かなり長文になってしまいました、最後まで読んでいただきありがとうございます。

全体的な印象としては、テスラは他社の一歩先を見据えて、かつ驚愕のスピードで改革を進めていると感じました。

しかし先日発表されたフォルクスワーゲンやルーシッド、リヴィアンなどの次世代EVは、かなり技術格差も縮まっており、テスラにない品質も訴求しているので、今後も目が離せません。ぜひとも各メーカー切磋琢磨して持続可能な社会への移行をさらに加速させていただきたいです。

（文／池田 篤史）