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電気自動車用電池セル・パック向け材料 2023-2033年Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033 電気自動車（EV）は、これまで内燃機関自動車市場で典型的であったものとは大きく異なる材料需要を生み出します。サプライチェーンの混乱が続き、バッテリー技術が急速に進化する中、今後数年間に需要が高まる... もっと見る
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サマリー
電気自動車（EV）は、これまで内燃機関自動車市場で典型的であったものとは大きく異なる材料需要を生み出します。サプライチェーンの混乱が続き、バッテリー技術が急速に進化する中、今後数年間に需要が高まる材料は大きく変化する。本レポートでは、電気自動車、バス、トラック、バン、二輪車、三輪車、マイクロカーなどの市場における27種類の材料について、2021年から2033年の市場需要を把握するために、電池化学、エネルギー密度、デザインの進化を深掘りしています。
エネルギー密度の向上や車両1台あたりの材料使用量の削減といったトレンドにもかかわらず、急成長するEV市場により、EV用バッテリー材料の需要は12倍以上に増加し、2033年から2021年の間に市場価値は26％のCAGRを示すと予想されます。
バッテリーセル材料
電池化学は進化を続けています。最終的な目標は常にエネルギー密度の向上ですが、電池のコストやサプライチェーンの多様性などの要因により、一般的なNMC（ニッケルマンガンコバルト）以外の化学物質への需要が生じています。NMCは最も高いエネルギー密度を提供しますが、これをさらに向上させ、コバルトの使用を避けるために、従来のNMC 111/523からNMC 811のような高ニッケル品へと移行しています。コバルトはより高価な材料であり、採掘方法にも問題があるため、地理的な制約を受けながら供給されています。高ニッケル化により、ニッケルの需要は増加するものの、これらの懸念は緩和されます。
LFP（リン酸鉄リチウム）ケミストリーを使用する電池は、NMCよりもエネルギー密度が低いおかげで、2018年から2019年にかけてEV市場からほぼ撤退した。しかし、セル供給の多様化とコスト削減の必要性から、特にローレンジからミッドレンジの市場セグメントで、LFPの採用が大きく復活しています。LFPの採用によるエネルギー密度の低下は、充填効率の向上により多少相殺されています。LFPの採用が進むと、ニッケルやコバルトなどの材料に対する需要も緩和される。
正極の化学的性質に加え、負極にも進化が見られます。エネルギー密度を向上させるため、負極にシリコンをわずかな割合で配合し、セル内のグラファイト強度を低下させているものもあります。将来的には、シリコンの含有量を大幅に増やし、シリコンドミナントアノードが注目されるようになることが予想されます。
その他、集電体、バインダーなど、電池セルの動作に不可欠な材料がいくつかあります。本レポートでは、リチウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、銅、アルミニウム、グラファイト、シリコン、リン、電解液、バインダー、ケーシング、導電性添加剤、セパレーターなどの材料について、2033年までの電池材料需要予測を掲載しています。
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エネルギー密度の向上にもかかわらず、多くのセル素材が急激な需要の伸びを示し、市場シェアは大きく異なる。
出典：IDTechEx
電池パック素材
バッテリーセルのエネルギー密度を高めることは重要ですが、パック全体の構造もバッテリーのエネルギー密度を高める大きな道です。市場では、セルを梱包する材料の量を徐々に減らし、パックの重量と体積のうちセルが占める割合を高めてきました。この点での変化は、セルからパックへの設計の採用であり、モジュール性を排除し、すべてのセルを直接パックすることにあります。しかし、EV市場の急成長に伴い、電池パックに使用される材料の多くは、材料が減少する分、需要が増加します。
細胞をパックに詰めるための材料は、2015年から50％以上減少しています。
出典：IDTechEx
熱管理は、細胞を最適な動作温度に保つために重要であり、コールドプレートや冷却ホースなどの部品が必要です。また、セルと冷却構造との間の熱伝達を助けるために、サーマルインターフェース材料が必要です。また、セル間やバッテリーパック外への熱暴走を防ぐため、受動的な防火材が必要です。これらの熱管理材料や部品の統合方法は、特にセルからパックへの設計の採用により簡素化されつつありますが、需要の増加に伴い、重要な動作部品であることに変わりはないでしょう。
軽量化のための重要な手段として、従来のアルミニウムや鋼鉄に代わって複合材料やポリマーを採用することが挙げられます。バッテリー構造の多くはアルミニウムで作られていますが、軽量化とより複雑な形状を実現するために、多くのメーカーが複合材料のエンクロージャーリッドを採用しています。利用可能な材料の利点を組み合わせるために、マルチマテリアルバッテリーエンクロージャーを推進する動きがあります。複合材やポリマーの筐体では、EMIシールドや防火対策を考慮する必要がありますが、これは後から追加することも、素材自体に組み込むことも可能です。
本レポートでは、アルミニウム、スチール、銅、アルミニウム、炭素繊維強化ポリマー、ガラス繊維強化ポリマー、熱インターフェース材料、防火材料、電気絶縁、コールドプレート、冷却水ホースなどのバッテリーパック用材料を予測しています。
目次
Summary
この調査レポートでは、電気自動車用電池セル、パック向け材料、アルミニウム、スチール、銅、アルミニウム、炭素繊維強化ポリマー、ガラス繊維強化ポリマー、熱インターフェース材料、防火材料、電気絶縁、コールドプレート、冷却水ホースなどのバッテリーパック用材料について詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容（目次より抜粋）
Report Summary
Electric vehicles (EVs) generate material demands that are very different to those historically typical of combustion engine vehicle markets. With ongoing supply chain disruption and rapidly evolving battery technology, the materials that will be in demand over the coming years will vary significantly. This report takes a deep dive into battery chemistry, energy density, and design evolution in order to determine the market demand from 2021-2033 for 27 different materials in markets such as electric cars, buses, trucks, vans, two-wheelers, three-wheelers, and microcars.
Despite trends towards increased energy density and less use of materials per vehicle, thanks to the rapidly growing EV market, the demand for EV battery materials will grow over 12-fold with market value exhibiting a 26% CAGR between 2033 and 2021.
Battery Cell Materials
Battery chemistry continues to evolve. The ultimate goal has always been towards higher energy density, but other factors such as cell cost and supply chain diversity have created demand for alternative chemistries outside of typical NMC (nickel manganese cobalt). NMC chemistries provide the highest energy density, and to further improve this and avoid the use of cobalt, have transitioned to higher nickel variants such as NMC 811 over the previous NMC 111/523. Cobalt is a more costly material and has a very geographically constrained supply with questionable mining practices, the trend to higher nickel chemistries alleviates these concerns, albeit increasing demand for nickel.
Batteries using LFP (lithium iron phosphate) chemistries nearly exited the EV market in 2018-2019 thanks to their lower energy density than NMC. However, the need for a greater variety in cell supply and the ability to reduce costs has seen a huge resurgence in LFP adoption, especially in the lower- to mid-range market segments. The energy density hit of using LFP has been somewhat offset by improvements in packing efficiency. The greater adoption of LFP mitigates some of the demand for materials such as nickel, and cobalt.
In addition to the cathode chemistry, there has also been evolution in the anode. Some have been incorporating small percentages of silicon into anodes to improve energy density, resulting in a decrease in graphite intensity in the cell. In the future we can expect to see adoption of much greater silicon contents with silicon dominant anodes gaining interest.
There are several other materials critical to the operation of a battery cell, such as the collector foils, binders, and more. This report contains forecasts for battery cell material demand to 2033 for materials including: lithium, nickel, cobalt, iron, manganese, copper, aluminum, graphite, silicon, phosphorous, electrolyte, binder, casing, conductive additive, and the separator.
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Despite energy density improvements, many cell materials will exhibit rapid growth in demand with significantly differing market shares. Source: IDTechEx
Battery Pack Materials
Increasing the energy density of battery cells is important, but the construction of the pack as a whole is also a great avenue to improve battery energy density. The market has gradually reduced the amount of materials used to package the cells, increasing the ratio of the pack's weight and volume that is accounted for by the cells. The step change in this regard is the adoption of cell-to-pack designs where the modular nature is removed in favor of packing all the cells directly together. Despite the reduction in materials this causes, the rapid growth of the EV market means that many of the materials used in a battery pack will see increased demand.
The materials used to package cells into a pack have reduced by over 50% since 2015. Source: IDTechEx
Thermal management is crucial to keeping cells at an optimal operating temperature and requires components such as cold plates and coolant hoses. Thermal interface materials are required to aid in heat transfer between the cells and the cooling structure. Preventing thermal runaway from propagating between the cells and outside the battery pack requires passive fire protection materials. How these thermal management materials and components are integrated is becoming simplified, especially with adoption of cell-to-pack designs, but will remain as critical operating components with increased demand.
A key avenue for weight saving is the adoption of composites and polymers over traditional aluminum and steel. Much of the battery structure is made from aluminum, but many have adopted composite enclosure lids to reduce weight and form more complex shapes. There is a push towards multi-material battery enclosures to combine the benefits of the materials available. A key consideration for composite or polymer enclosures is EMI shielding and fire protection, this can be added later or integrated into the material itself.
This report forecasts materials for battery packs including aluminum, steel, copper, aluminum, carbon fiber reinforced polymer, glass fiber reinforced polymer, thermal interface materials, fire protection materials, electrical insulation, cold plates, and coolant hoses.
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