次世代のバッテリー開発を加速する【自動車・輸送機械・モビリティ】

はじめに 自動車・輸送機械・モビリティ セルの化学 セル・エンジニアリング セル製造 まとめ 次世代のバッテリー 開発を加速する セルの化学からバッテリー製造まで デジタル・ソリューションが バリュー・チェーン全体の進化を加速する 1

はじめに セルの化学 セル・エンジニアリング はじめに セル製造 急速に進化する EV 業界に対応するために まとめ 2022 年時点で世界の道路を走る電気自動車(EV)は約 3,000 万台 専門家の紹介 でしたが、2030 年には約 2 億 4,000 万台に達すると予測されてい ます。これは、わずか 10 年足らずで 700%という驚異的な増加です。 この劇的な変化によって、10 年後には 1 日あたり少なくとも 500 万 バレルの石油消費を削減できると見込まれています。 グローバルな自動車業界は、まさに歴史的な大転換期を迎えていま す。そして、その鍵を握るのがバッテリー・メーカーです。彼らには、よ り高性能なバッテリーを継続的に開発し、それらを迅速かつ大規模 Simon MELLIER Victor OANCEA に、しかもコスト効率良く製造することが求められています。特に現 DELMIA、 SIMULIA、 在、バッテリーは EV のコスト全体の約 30%を占めているという現実 業界コンサルタント 研究開発テクノロジー を踏まえれば、その重要性は明らかです。 シニア・マネージャー シニア・ディレクター しかしながら、バリュー・チェーン全体にわたってスケール、スピード、 効率性を実現するのは簡単なことではありません。ここで力を発揮す るのが、エンジニアに驚異的な能力をもたらすデジタル・ソリューシ ョンです。研究開発の現場から工場の生産ラインまで、バッテリー業 界の変革はプロセスのあらゆる部分に及んでいます。それに対応す るソリューションも、同様に幅広い領域にわたる必要があります。 Lalitha SUBRAMANIAN Nicolas VALLIN BIOVIA、 自動車・輸送機械・モビリティ、 受託研究プログラム ビジネス・バリュー・コンサルタント 本 eBook では、未来に適応したバッテリー・エコシステムを構築する シニア・ディレクター ために必要な主な課題とその解決策について、専門家の視点からご 紹介していきます。 2 出典: 国際エネルギー機関(IEA)

はじめに セルの化学 セルの化学 次世代セル化学の力を引き出す セル・エンジニアリング セル製造 バッテリーの進化は、研究室における新たな電解液設計から始まり ます。次世代 EV メーカーの性能要件を満たすため、電解液の配合は 加速 日々進化しています。ダッソー・システムズのバッテリー・ソリューショ まとめ ン・ポートフォリオ・マネージャーである Nicolas Vallin は、重要な KPI として以下の 6 つを挙げています:「 安全性、航続距離、劣化(エージ 10 ング)、コスト、環境負荷、そして充電速度です。これらが今後 10 年間 9 のバッテリーを定義づける要件であり、私たちが電解液の再設計で 効率 8 航続距離 追求している目標です。」 7 6 5 ただし、性能向上だけが目的ではありません。原材料の不足に対応 4 するためにも、配合の見直しが進められています。ダッソー・システム 3 2 ズの成果ベース受託研究のグローバル責任者である Lalitha 1 Subramanian は、こうしたプレッシャーについて次のように語ってい 0 ます: 「バッテリー需要の急増により、リチウム、コバルト、ニッケル、 マンガン、銅といった主要材料の供給に大きな負荷がかかっていま 高速充電 す。これらの材料を異なる比率や組み合わせで使うようにバッテリー の配合を再設計することは、今やこの問題を乗り越えるために不可 耐久性 欠です。」 とはいえ、性能要件であれ材料供給であれ、配合の再設計は困難で 時間のかかる作業です。「バッテリーはダイナミックなシステムであ コスト り、開発には常にトレードオフのバランスが求められます」と Nicolas は言います。「たとえば急速充電。これは非常に魅力的な機能ですが、 同時にバッテリーの劣化を早め、寿命を縮めるリスクもあります。」 設計 A 設計 B 設計 A と設計 B のトレードオフ研究 3

はじめに 80% セルの化学 バッテリー材料のシミュレーション セルの化学 セル・エンジニアリング BIOVIA ソリューションを活用すること 分子レベルからバッテリー・セル材料をシミュレーション・モデリング で、配合スクリーニングのスピードが できることは、設計者にとって大きな利点です。溶媒、電解液、添加剤 セル製造 最大 80%向上 がバッテリー全体にどのような影響を与えるかを詳細に理解し、適切 なトレードオフの判断を下すことが可能になります。「化学に基づい まとめ 大手バッテリー・メーカーによる た 3D によって、電解液の挙動、イオン輸送、電気化学反応を予測す BIOVIA 活用事例の成果より ることができます」と Lalitha は述べます。「さらに、電解液や添加剤の 配合を仮想的にスクリーニングすることで、目標とする特性に合わせ た最適な成分を選択・最適化することができ、最終的にはバッテリー の安全性、効率、寿命を向上させられます。」 デジタル・ソリューションを用いることで、これらの実験は物理的な方 法に比べてはるかに高速に繰り返すことができ、バッテリー開発ライ フサイクルを劇的に加速させます。「何百回もの実験を行う代わりに、 それらを仮想空間で実施し、最も有望な数パターンだけを実際のラ ボで検証すればよいのです」と Lalitha Subramanian は言います。 ダッソー・システムズの BIOVIA ソリューションは、すでにラボの生産 性を 40%向上させ、実験の成功率を 65%向上させた実績がありま す。また、物理学、化学、材料科学、データサイエンスなどの専門家か ら構成される BIOVIA の受託研究チームは、これらのソリューション の力をさらに高め、バッテリー・ツインの立ち上げを迅速化し、バッテ リー・メーカーが現実の課題に応えるためのソフトウェアアプローチ を定義・開発できるよう支援しています。 4

はじめに セル・エンジニアリング セルの化学 次世代セル・エンジニアリングを加速する力 セル・エンジニアリング セル製造 配合設計は、バッテリー開発の旅の出発点にすぎません。本当に効 果的なバッテリーを構築するには、エンジニアがセル化学の挙動をよ り広い文脈で理解する必要があります―つまり、個々のセルから、モ まとめ ジュール、パック、そして最終的には車両の電力システムまで、段階的 に拡張して捉えることが重要です。 Nicolas VALLIN は、スケールの変化に伴う課題についてこう語りま す:「 材料レベルの化学とセル・レベルの挙動の検証の間には、大きな ギャップがあります。まったく異なるスケールで作業しており、適用さ れる物理法則も異なるのです。セル・エンジニアは、化学的な情報を バッテリー・システム設計の文脈に落とし込む必要があります。たと えば、セルのサイズや内部層の数といった形状(フォームファクター) を考慮する必要があります。」 ここで活躍するのが、CATIA や SIMULIA といったツールです。これら を用いて、より高次の構造をモデリング、シミュレーション、解釈する ことができます。「専用のバッテリー・モデルを使用すれば、セル・レ ベル以上でのバッテリー挙動を理解できます。」と、ダッソー・システ ムズで SIMULIA のテクノロジー・シニア・ディレクターを務める Victor Oancea は述べています。「応力、ひずみ、熱分布などを解析し、 劣化のメカニズムや、サーマルランアウェイ(熱暴走)や火災リスクと いった潜在的な安全問題を特定できるのです。」 5

はじめに セル・エンジニアリング セルの化学 現実の実行のために、バーチャル空間で計画 セル・エンジニアリング する セル製造 2030 個々のバッテリー内部だけでなく、車両の電力システム全体における まとめ バッテリーの動作を理解するためにも、デジタル・ツールは活用できま 年までに、EU におけるバッテリーの回収率 す。「システム・レベルのシミュレーションでは、バッテリー・パック全 体の挙動を扱います。そこには、セル同士の相互作用や、バッテリー・ は、コバルト、銅、ニッケルで 95%、リチウム マネジメントシステム(BMS)との連携も含まれます。」と Victor は述 で 70%に達することが求められています。 べています。 これらの技術は、バッテリー設計を改善するためだけでなく、試作や 製造の効率化にも役立ちます。「バーチャル・ツインを活用すること で、製品の物理的な製造に入る前に広範なテストと改良が可能とな EU バッテリー規制 り、開発サイクルが短縮され、設計変更によるコストのリスクも軽減 フレームワーク されます。その結果、安全性と性能に優れたバッテリーが生まれま す」と Victor は言います。 また、デジタル・ソリューションは、将来の課題を見据えた設計にも貢 献します。たとえば、EU では 2030 年に向けて野心的なリサイクル目 標が設定されており、コバルト・銅・ニッケルの 95％の回収率や、新 しいバッテリーにおけるリサイクル素材の使用義務などが定められ ています。これらはすべて、エンジニアリングにおいて考慮すべき要 件となりますが、デジタルアプローチにより評価・管理が可能です。 「バッテリーのエンジニアは、バッテリー・パックを再利用、修理、リサ イクルしやすい形で設計することができます」と Nicolas は述べます。 「そして、それらの目的達成にも、既に最適化に使っているツールを そのまま活用できます。」 6

はじめに セル製造 セルの化学 次世代セル製造を加速する力 セル・エンジニアリング セル製造 セル化学が配合され、バッテリー・バック設計が検証された後、最終 段階は製造です。そして、その製造量は膨大です。欧州だけでも、バッ テリー・セルの生産は 2020 年から 2022 年の間に 43%増加し、新た まとめ な工場の設立が急増しています。 これらの工場は、単に数が増えるだけではなく、規模が大きく、より複 雑になっています。「未来のバッテリー・セル工場は巨大で、24 時間 稼働し、人間の介入はほとんどなく、広範な自動化が進んでいるでしょ う。」 と、ダッソー・システムズで DELMIA Apriso の業界プロセスコン サルタント・マネージャーを務める Simon Mellier は述べます。 これは魅力的な未来のビジョンですが、それを現実のものにするの は簡単ではありません。既存の企業が最新の製造コンセプトを取り 入れる場合でも、新たに最先端のギガファクトリーを立ち上げようと する企業でも、課題は大きいです。 どのような課題であれ、最初のステップは効果的なコラボレーション の実現です。「機械やプロセスモデルの中央リポジトリを提供するこ とによって、バーチャル・ツインは未来の製造業者に必要なコラボレ ーションを促進する中心的な役割を果たします。そのコラボレーショ ンは、製造業者と顧客やサプライヤー間、機械メーカーとバッテリ ー・セル化学者間、社内の製品デザイナーとプロセスエンジニア間な ど、さまざまな関係者間で行われます。それは、新たな製造能力の計 画、展開、管理のために不可欠な基盤です。」 出典: 国際エネルギー機関(IEA) 7

はじめに セルの化学 セル・エンジニアリング セル製造 セル製造 生産現場の最適化 まとめ デジタル・ツールは、現場での意思決定を最良のデータに基づいて 行うことを確実にします。「シミュレーションとリアルタイム・モデルを 組み合わせることで、継続的改善のための無限ループを作り出すこ とができます。」と Simon は言います。「たとえば、オペレーターはバ DELMIA ソリューションを使用することで、生 ーチャル・ファクトリーの環境で実データを活用し、根本原因分析を 産リードタイム短縮最大 50%、計画時間雪 行ったり、生産状況をリアルタイムで把握して監視したりできます。さ らには、オペレーターが予知保全などを通じて未来を予測し、必要な 原は最大 是正措置を取ることも可能です。」 エラーが減り、処理速度が向上し、重要なことに、廃棄物が減少しま す。「運用の優秀さ、柔軟性、アジリティも重要ですが、最も重要なキ 60% ーワードはスクラップ(廃棄物)です。そして、私たちのソリューション の最大の利点の 1 つは、廃棄物削減にあります。」と Nicolas は述べ ます。「バーチャルシミュレーションは、製造プロセスにおける潜在的 な欠陥や非効率を予測し、積極的な介入を通じてそれらを防ぐこと ができます。これにより、故障した部品や製造エラーによる廃棄物が 減少し、コストが削減され、全体的な効率が向上します。」 これらすべてが、廃棄物の少ないより効果的な工場の迅速な展開に 繋がります。DELMIA は、リードタイムを最大 50% 短縮するために使 用されています。 8

はじめに まとめ セルの化学 セル・エンジニアリング 将来の EV 環境に適したバッテリー・エコシステムの実現は、長い道 セル製造 のりです。しかし、バッテリー技術の成熟への道のりは、モデリング、シ ミュレーション、バーチャル・ツインといったデジタル機能の賢明な活 用によって、より速く、より快適に、より効率的に進めることができます。 まとめ 「これらのソリューションは、バッテリー技術を前進させる強力な手段 であり、開発のスピードを加速させ、性能と持続可能性を向上させ、 コストを削減することを可能にします。」と Nicolas は述べています。 「競争力を維持するためには、新しいバッテリー・セルの設計から製 造・出荷までの時間をできるだけ短縮することが重要です。3D モデ ルとバーチャル・ツイン・エクスペリエンスは、これをサポートする強 力な手段であり、研究からエンジニアリング、製造に至るまで、バリュ ー・チェーンのどの部分にも妥協を加えることなく全体のプロセスを 効率化します。これらのソリューションを活用することで、製造業者は 生産収率を高め、製品の一貫性を向上させ、グローバルのバッテリ ー市場で競争優位性を獲得することができます。」 バッテリー開発を加速するために 3DEXPERIENCE® プラットフォー ムがどのように役立つかについて、Nicolas、Lalitha、Simon、Victor を はじめとする当社の専門家との議論をご希望の際は、お気軽にお問 い合わせください。 今すぐ問い合わせる 9

はじめに セルの化学 セル・エンジニアリング セル製造 まとめ 当社の3DEXPERIENCE®プラットフォームは、12業界に対応する当社ブランドのアプリケーショ ンを強化し、業界ソリューションエクスペリエンスの豊富なポートフォリオを提供します。 ダッソー・システムズは、人々の進歩を促進する役割を果たします。私たちは、企業と人が協力して持続可能な革新技術を生み出す ための仮想環境を提供します。当社のお客様は、3DEXPERIENCEプラットフォームおよびアプリケーションで現実世界の「バーチャル ツインエクスペリエンス」を作ることで、自社製品の製作、製造、ライフサイクル管理の各プロセスを再定義しています。これによっ て、お客様はより持続可能な世界を実現するための大きな影響力を手にしています。エクスペリエンスエコノミーの長所は、それが 人間を中心とした経済であるため、全ての消費者、患者、そして市民の利益になるという点です。 ダッソー・システムズは、150カ国以上、あらゆる規模、業種の30万社以上のお客様に価値を提供しています。より詳細な情報 は、www.3ds.com（英語）、www.3ds.com/ja（日本語）をご参照ください。 本社 アメリカ大陸 アジア太平洋地域 Dassault Systèmes Dassault Systèmes Dassault Systèmes 10, rue Marcel Dassault 175 Wyman Street 17F, Foxconn Building, CS 40501 Waltham, Massachusetts No. 1366, Lujiazui Ring Road 78946 Vélizy-Villacoublay Cedex 02451-1223 Pilot Free Trade Zone, Shanghai 200120 10 France USA China ©2025 Dassault Systèmes. All rights reserved. 3DEXPERIENCE、3DSロゴ、Compassアイコン、IFWE、3DEXCITE、3DVIA、BIOVIA、CATIA、CENTRIC PLM、DELMIA、ENOVIA、GEOVIA、MEDIDATA、NETVIBES、OUTSCALE、SIMULIAお よびSOLIDWORKSは、フランス法で法人化、およびヴェルサイユ商業登記所に登記番号322 306 440で登録した欧州会社（Societas Europaea）であるダッソー・システムズ、または、アメリカ合衆国および/またはその他の国におけ る、その子会社の登録商標または商標です。