私が初めて高電圧リチウムイオン電池の供給分野に携わり始めたとき、私たちの仕事が電気航空機にとってどれほど大きな変革をもたらすのか完全には理解していなかった、と認めます。当時、私たちは化学薬品を改良し、小型ドローンやリモートセンサーのセルをテストするだけで、乗客を乗せて国境を越える実物大の飛行機に電力を供給することなど考えていませんでした。航空宇宙エンジニア、新興企業の創設者、業界規制当局と何年も緊密に協力してきた今、私は、高電圧リチウムイオン (HV LiPo) バッテリーが単なる電気航空用の部品ではなく、業界をニッチな実験からジェット燃料に代わる主流の持続可能な代替品に変えるバックボーンであることがわかりました。なぜそうなるのか、そして私たちのチームが毎日行っている仕事がこの変革的な変化にどのように直接結びついているのかを詳しく説明しましょう。
まず、エネルギー技術に関する多くの記事が手に届かないと感じさせる専門用語を徹底的に理解しましょう。電気航空機は、ジェットエンジンを電気モーターに置き換えるだけではありません。現在、電子航空が直面している最大の課題はエネルギー密度、つまり一定の重量にどれだけの電力を蓄えることができるかです。飛行機が 1 ポンド増えるごとに燃料がかかり、構造のアップグレードが必要になり、航続距離が制限されます。従来のリチウムイオン電池は、携帯電話や自動車には十分に機能しますが、その限界を押し上げる高電圧の化学反応が発見されるまでは、飛行機に使用するには十分なエネルギーを蓄えられません。そこで、小型電動航空機プロトタイプの主力製品となっている 10000mah Lipo バッテリーなどの製品を含む、当社の HV LiPo セル製品ラインが登場します。
そのエネルギー密度のギャップについて話しましょう。標準的なジェット燃料のエネルギー密度は、1 キログラムあたり約 12,000 ワット時 (Wh/kg) です。従来のリチウムイオン電池の最高出力はおよそ 250 ～ 300 Wh/kg であり、リージョナルジェット機には決して十分とは言えません。しかし、HV LiPo セルはどうでしょうか?最新の配合ではこの数値を 350 Wh/kg 以上に押し上げましたが、研究ではさらに高い値が示されています。それは小さな飛躍のように聞こえるかもしれませんが、航空業界では、Wh/kg が増えるたびに重要になります。 50 席の地方飛行機の場合、その 50 Wh/kg の違いは 500 キログラムの追加の出力に相当します。これは、性能を犠牲にすることなく航続距離を 160 マイル延長するか、乗客を 10 名追加するのに十分です。これは、技術的に興味深いプロトタイプを商業的に実行可能な航空機に変える一種の漸進的利益です。
航空宇宙エンジニアが最初に HV バッテリーのテストを開始したとき、充電が速すぎたり、熱くなりすぎたりする携帯電話を使用したことがある人にはよく知られているような多くの問題に遭遇しました。高電圧セルは熱暴走のリスクが高く、損傷したり管理を誤ると過熱して発火する可能性があります。また、サイクル寿命も短く、航空会社が交換する余裕があるよりも早く摩耗してしまうことを意味します。初期の電子航空への取り組みの多くが 2018 年から 2019 年頃に行き詰まったのはそのためです。その化学は紙の上では機能しましたが、商用利用するには十分な安全性や信頼性がありませんでした。私たちのチームは、カソードと電解質の材料を変更し、高度な熱管理層を組み込み、数千のセルにわたって一貫性を確保する製造プロセスを完成させることで、これらの問題に何年も費やして取り組みました。
たとえば、3.85V/4.4V 高電圧 Lipo セルを考えてみましょう。これらのセルは、エネルギー密度と安全性のバランスを考慮して特別に設計されています。私たちはバッテリーを一連の衝突シミュレーションでテストし、穴を開けたり、押しつぶしたり、過充電したりしました。これは、FAA などの航空規制当局がバッテリーの商用利用を承認する前に要求する標準テストです。その結果は、従来のリチウムイオン電池よりもはるかに優れており、熱暴走がなく、重大な火災の危険もなく、サイクル寿命は完全充放電サイクル 1,500 回を超えています。航空会社にとって、これはバッテリー パックが通常の使用で 5 ～ 7 年間持続できることを意味し、これはジェット エンジンの一般的な寿命と一致します。このような信頼性により、HV LiPo セルは単なる実験室実験ではなく、本格的な選択肢となります。
航空分野における HV LiPo バッテリーのもう 1 つの大きな利点は、オンデマンドで高電力を供給できることです。飛行機はエネルギーを蓄えるだけではなく、離陸、上昇、緊急操縦のために大量の電力を素早く引き出す必要があります。たとえば、737 MAX は離陸に数万キロワットを必要とします。初期の電気モーター設計ではそれを実現できましたが、バッテリーでは性能を低下させる電圧降下なしに電気モーターを供給することができませんでした。 HV セルは公称電圧が高いため、航空機のモーターの動作電圧に達するために直列に接続するセルの数が少なくて済みます。これにより、バッテリーパックの総重量が軽減され、配線が簡素化され、接続の緩みによる故障のリスクが軽減されます。当社の高電圧 Lipo ラインは、10C の連続放電レート (アンペアで容量の 10 倍を供給できることを意味します) と 20C のピークレートに対応するように構築されており、小型から中型の電動航空機の高電力ニーズに最適です。
理論では限界があるので、実際の使用例について話しましょう。現在、ほとんどの電動飛行機は小型で、短距離路線用の 2 ～ 8 人乗りか、大型の貨物ドローンです。しかし業界は、ニューヨークからボストン、またはロンドンからパリまでの距離が 500 マイル以下の路線で 50 ～ 100 人の乗客を運ぶことができる地域専用機の開発に急速に移行しています。 Eviation、Heart Aerospace、magniX などの企業はすべて、HV LiPo バッテリーを使用するプロトタイプ飛行機をテストしています。 Eviation の 9 人乗り電動飛行機の Alice は、バッテリー パックに当社の高電圧 LiPo セル ユニットを 1,000 個使用しており、1 回の充電で 440 海里 (約 500 マイル) の航続距離を実現します。これはまさに、米国のすべての国内線の 80% に必要な航続距離です。また、飛行機はジェット燃料の代わりに電気を使用するため、二酸化炭素排出量を 90% 削減できます。これは、2050 年までにネットゼロの目標を達成しようとしている航空会社にとって大きな勝利です。
貨物航空は、HV LiPo バッテリーが変化をもたらしているもう 1 つの分野です。小型荷物配送ドローンは何年も前から登場していますが、最近までは数ポンド以上の重量を運ぶことができませんでした。当社の 10000mah Lipo バッテリーのような高電圧セルを使用すると、配送ドローンは 50 マイルの距離で 10 ～ 15 ポンドの重量を運ぶことができ、これはほとんどの大都市圏での同日配送に十分です。 Amazon や Wing などの企業はすでにこれらのドローンのテストを行っており、拡張性の重要な要素として HV バッテリーの性能を挙げています。最大 10 トンのさらに大型の貨物機も開発中であり、貨物会社のコストと排出量を削減するために数百個の高電圧セルが使用されます。
もちろん、まだ克服すべきハードルはあります。最大のものはインフラストラクチャです。飛行機は急速に充電する必要があり、空港は一度に数百キロワットの電力を処理できる大容量の充電ステーションを追加する必要があります。現時点では、ほとんどの HV LiPo バッテリーは、容量の 80% まで充電するのに約 30 分かかります。これは、フライト間に地上時間がある商用路線では十分な速さですが、ターンアラウンドを短縮するにはさらに高速化する必要があります。当社の研究開発チームは、安全性やサイクル寿命を犠牲にすることなく充電時間を半分に短縮できる新しい電解質をテストしています。もう 1 つのハードルはコストです。HV LiPo バッテリーは、kWh あたりの価格が依然としてジェット燃料より高価ですが、価格は急速に低下しています。過去 5 年間で、HV セルのコストは 40% 低下し、生産規模が拡大するにつれて、2030 年までにジェット燃料と同等に達すると予想されています。そのとき、電気航空機はニッチなサービスではなくなり、標準になるでしょう。
高電圧リチウムイオン電池サプライヤーとしての私たちの役割は、単にセルを販売することではなく、航空機メーカーと提携して、航空機メーカー特有の問題を解決することです。私たちは細胞の入った箱をただ出荷して立ち去るわけではありません。当社はエンジニアリング チームと協力して、航空機のフレームに適合し、重量要件を満たし、あらゆる規制テストに合格するカスタム バッテリー パックを設計します。当社はリアルタイムのパフォーマンス データを提供するため、バッテリーのパフォーマンスを追跡し、それに応じて飛行計画を調整できます。そして、エネルギー密度をさらに高めるために化学を常に更新しています。それが次世代の電気飛行機の可能性を切り開くものであると知っているからです。
10 年先を見据えると、電気航空は 1,000 億ドルの産業になり、HV LiPo バッテリーがその中心になると私は予想しています。 2035 年までに、高電圧セルを搭載した 50 席の地域航空機が定期路線を飛行するようになり、2040 年までにフルサイズのナローボディ機が商業サービス用にテストされることになります。この変化は一夜にして起こるものではありません。ジェット燃料は根深いものであり、航空会社はそれが証明されるまで新技術への投資をためらっています。しかし、その勢いは否定できません。毎月、別のプロトタイプが空に飛び、別の航空会社が電気飛行機を発注する意向書に署名し、別の規制当局が航空における HV バッテリーの使用に関する新しいガイドラインを発行します。
あなたが次のプロジェクトに力を入れたいと考えている飛行機メーカー、航空会社、または電子航空スタートアップの一員であるなら、私たちのチームがお手伝いします。当社は、幅広い用途にエネルギー密度と安全性の完璧なバランスを提供する 3.8V/4.35V 高電圧 Lipo セルを含む、高電圧 Lipo ラインの改良に何年も費やしてきました。当社はクライアントと協力してセル構成をカスタマイズし、テストおよび認証中の技術サポートを提供し、プロジェクトの成長に応じて需要に応えるスケーラブルな生産を提供します。小型貨物ドローンでも、50 席のリージョナル ジェットでも、当社はお客様の成功を後押しする HV LiPo セルをご用意しています。
参考文献
- 国際エネルギー機関。 （2023年）。世界の EV 展望 2023: 先への充電。 IEA出版物。
- 連邦航空局。 （2022年）。電気航空機のバッテリー安全基準。 FAA 航空安全説明会。
- 飛行用航空機。 （2023年）。アリス電動航空機: 技術仕様。 Eviation の公式ドキュメント。
- リチウムイオン電池工業会。 （2024年）。高電圧セル市場レポート: 航空用途。 LIBAリサーチ。
- マグニクス。 （2023年）。地域航空向け電気推進: ケーススタディ。 magniX テクニカル ホワイトペーパー。
