マルチフィジックスと技術経済モデリングを組み合わせたエネルギーおよび電力用途向けナトリウム･イオン電池パックのコスト分析
Cost Analysis of a Sodium-Ion Battery Pack for Energy and Power Applications
Using Combined Multi-Physics and Techno-Economic Modeling
By Marcel Roy B. Domalanta, Michael T. Castro,
Julie Anne D. del Rosario, Joey D. Ocon
Chemical Engineering Transactions 2022;94:139-144 2022.
再生可能エネルギーへの移行には送電網バランスと輸送のためのエネルギー貯蔵技術は必要である。リチウム・イオン電池はこれらの用途に広く採用されているが、地政学的な緊張による供給リスクにより、重要な原材料への依存度が低い代替化学物質の探索が動機付けられている。ナトリウム･イオン電池は、ナトリウムの相対的な存在量とリチウム・イオン電池と同様の製造プロセスにより、有望なポスト・リチウム化学として注目を集めている。この研究では、エネルギーまたは電力ベースの用途向けにマルチフィジックス・モデリングによって最適化されたセルからナトリウム･イオン電池パックを製造するコストを見積っている。この研究では、COMSOL Multiphysics®の文献からパウチ形式のナトリウム･イオン電池のマルチフィジックス・モデリングを再現した。このモデルは、エネルギー密度を最大化するために、0.1C～10Cの放電率で電池に使用される最適な活物質を決定した。次に、最適化されたセルから製造された電池パックのコストは、材料と製造コストを考慮したアルゴンヌ国立研究所の電池性能とコスト・モデルを使用して決定された。最適化の結果は、エネルギー・セルがより厚い電極とより低い多孔性を持ち、単位質量当りの活物質の量を最適化することを明らかにしている。電源セルは、電気抵抗を最小限に抑えるために、より薄い電極とより大きな多孔性を備えており、高電流でのエネルギー損失を低減する。さらに、ナトリウム･イオン電池のエネルギーおよび電力用途の計算された製造コストを比較し、価格に影響を与える重要なパラメーターを強調した。このモデルでは、エネルギー・セルからパワーセルに移行すると、kWh当りの総材料費が26.42％増加することが観察された。このモデルは様々な形式の様々なカソードとアノードの化学的性質を持つナトリウム･イオン電池と、様々なユースケースでのそれらの用途を考慮することによっても洗練される可能性がある。
1．はじめに
リチウム・イオン電池は1990年代に商業化されて以来、広く普及しているエネルギー貯蔵装置である。リチウム・イオン電池の高いエネルギー容量と技術的成熟度は、モバイル用途から送電網規模のエネルギー貯蔵および輸送まで、様々なユースケースを引き付けている。エネルギー貯蔵の有力な候補であるが、リチウム源やカソード材料として使用される希少遷移金属などのリチウム・イオン電池成分の持続可能性に関する懸念が高まっている。持続不可能な採掘慣行、限られた入手可能性、加速するエネルギー貯蔵需要により、リチウム・イオン電池と成分の価格が上昇している。リチウム・イオン電池のこれらの課題は、経済性と持続可能性を犠牲にすることなく、既存のリチウム・イオン電池化学の性能を満たすポスト・リチウム・エネルギー貯蔵を開拓するための研究に関心を持っている。目に見える見通しの1つは、リチウムの代わりにナトリウムを使用することである。ナトリウムは低コストで非常に豊富なリチウムの代替品である。さらに、いくつかの研究では、インターカレーションとデインターカレーションのロッキングチェア機構において、ナトリウム･イオンがリチウム・イオンと同様に振る舞うという理論が立てられている。ナトリウム･イオン電池は既存のリチウム・イオン電池に近い酸化還元電位を持っているため、定置型エネルギー貯蔵、電動工具、小型電気自動車など、重量と体積があまり重要でない用途に適している。ナトリウム･イオン電池は様々な市場関係者が画期的なナトリウム･イオン電池技術を開発するために多大な研究努力と投資を行っており、加速するペースでエネルギー貯蔵市場を席巻している。
個々のセルの設計は、通常、電池化学システムにおける反応とイオン輸送をシュミレートするマルチフィジックス・モデリングによって行われる。モデルは、電池内の濃度、電位、温度などの連続体スケールのパラメーターの分布を決定できる。さらに重要なことに、このモデルは電池性能を最適化する材料の割り当てを決定できる。例えば、シュナイダーらは、ナトリウム･イオン電池マルチフィジックス・モデルを使用して、様々なCレートでエネルギー密度を最大化する電極の厚さと空隙率を決定した。著者らは、最適化された材料使用によるライフサイクル評価を通じて、ナトリウム･イオン電池の環境への影響を調査した。マルチフィジックス・モデリングは、リチウム・イオン電池、鉛蓄電池、およびバナジウム・レッドクロス・フロー電池の最適化にも利用された。これらの調査のレビューは、カストロらの研究に見られる。BatPacはアルゴンヌ国立研究所によって開発されたボトムアップ・コストおよび電池パック設計モデリング・ツールである。BatPacのユニークな利点は、電力やエネルギー・メトリックなどの電池の電気化学的性能を橋渡しして、電池設計のコストと性能の関係を分析できることである。電池の化学的性質と設計を変更して、様々な材料を比較および選別し、寸法、価格、大きさなどの特性を変更した場合の影響を調べることができる。Vaalmaらによる研究では、既存のリチウム・イオン電池技術のコストと性能を比較し、材料を交換して固定電源用途にリチウム・イオン電池の化学的性質を適合させた。彼等の研究では、リチウム・イオン電池でのリチウムおよび希土類材料の供給が問題になり、価格が上昇した場合、ナトリウム･イオン電池技術の価格優位性がリチウム・イオン電池を上回ると結論付けた。ペーターらによる別の研究では、リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の円筒形セル形状の経済的影響を調べた。この研究では、既存のナトリウム･イオン電池技術では、エネルギー密度においてLiNiMnCoO2グラファイトのkWh当りの価格に匹敵するのは難しいかもしれないが、固定用途向けのLiFePO4グラファイトと比較して、安全性とサイクル寿命と実行可能なコストを向上させる競争力のある経済的および性能上の優位性があることを指摘している。マルチフィジックスとコストと性能のモデリングは、電気化学の実験室の壁を破って商用用途を進めるための強力なツールであるにもかかわらず、これらの手法を組み合わせてナトリウム･イオン電池を分析する研究は報告されていない。この研究では、ナトリウム･イオン電池のマルチフィジックス・モデルを開発し、最適化されたセルの関連パラメーターを変換して、セル成分のコスト寄与に関する詳細な情報を提供することにより、製造エネルギーと電力タイプのナトリウム･イオン電池の経済的比較を確立することにより、研究のギャップに対処する。
2．方法
2.1. マルチフィジックス・モデリング
2.2. コストと性能のモデリング
3．結果と考察
3.1. マルチフィジックス・モデル
3.2. コストと性能のモデリング
以上の章と節は省略。
4．結論
ナトリウム･イオン電池技術は既存のリチウム・イオン電池プラントでのドロップイン機能により、有望なポスト・リチウム電池の代替品であるため、エネルギー貯蔵用途への関心が高まっている。この研究では、エネルギーおよび電力用途向けのナトリウム･イオン電池のマルチフィジックス・モデリングを組み合わせている。最適化されたパラメーターをコストおよび性能モデリング・ツールに置き換えて、様々なユース・ケースが全体的なコストに与える影響を調査する。マルチフィジックス・モデリングでは、エネルギー・セルがからパワーセルまでの電極の厚さが平均73.34％減少したことが明らかになった。エネルギー・セルは、電極が厚く、気孔率が低い傾向にあり、クーロン含有量が増加する。比較すると、より薄い電極とより大きな空隙率は、高電流から生じる抵抗損失を最小限に抑えるパワーセルの特徴である。マルチフィジックス・モデル・パラメーターを使用して、固定用途用の電池パックの経済性を調査した。このモデルは、エネルギーからパワーナトリウム･イオン電池パックに移行すると、kWh当りの総材料費が26.42％増加することを示している。カソードとセパレーターは、アクティブな電池材料のコストに最も貢献した。これらの調査結果は、電極のみに焦点を当てた現在の傾向とは別に、ナトリウム･イオン電池用の低コストのセパレーターを設計する研究の動きを示唆している。エネルギー・セルは、パワーセルよりも電極コストの寄与が低いことが分かっている。これは、電力用途でエネルギーを迅速に放出するために、より薄い電極が必要になるためである。また、エネルギー使用向けに設計されたナトリウム･イオン電池は、既存のリチウム・イオン電池技術よりも優れたコスト能力を示しており、kWh当りのコストがLiFePO4グラファイトよりも2.59％安価である。さらに、リチウム・イオン電池からナトリウム･イオン電池へのコスト削減は、主にカソードの価格と、銅集電体をアルミニウムに置き換えることにある。この研究は、ナトリウム･イオン電池が既存のリチウム・イオン電池で大幅なコスト削減をもたらすと主張する研究の根拠を提供する。ナトリウム･イオン電池はポスト・リチウム化学の重要な競争相手になり得るが、この研究は、電気化学的性能を改善して市場への可能性を先導する必要があることを示している。この調査では、ナトリウム･イオン電池のコストと性能の関係を俯瞰的に見ることができる。しかし、現在の市場パフォーマンスに限定される。感度分析をさらに実施して、将来のリソースの需要と供給の見通しを把握することができる。