レビュー論文
軍事用エネルギー貯蔵システムとして使用されるナトリウム･イオン電池の安全工学
The Safety Engineering of Sodium-Ion Batteries Used as
an Energy Storge System for the Military
By Agnieszka Iwan, Krzysztof A. Bogdanowicz, Robert Pich, Agnieszka Gonciarz,
Jacek Miedziak, Ireneusz Plebankiewicz and Wojciech Przybyl
Energies 2025;18:978 2025.02.18
要約
この研究の主なアイディアは、エネルギー貯蔵システムとしての軍事用途の分析の基礎となるナトリウム･イオン電池の商業化における最新の成果に基づいている。軍事目的でナトリウム･イオン電池を使用するための最適な解決策を見付けるために、技術的、工学的、および生物学的側面が分析された。軍事用途の電池を選択する場合、次の基準が必要である：(a) 標準電池よりも耐久性が高い、(b) 耐火性、(c) 爆発しない、(d) 位置が分からないように熱を放出しない、(e) 安全を確保するための安全要素と保護回路が装備されている、(f) 容量と重量の比として定義される可能な限り最高のエネルギー密度。ナトリウム･イオン電池の利点と課題について説明し、一般的なリチウム・イオン電池、リン酸鉄リチウム電池、Ni-Cd、およびNi-MH電池と比較する。軍事におけるナトリウム･イオン電池の実用化を拡大する見通しを示す。発火リスクの低さ、優れた熱安定性、極限条件でも機能する能力など、ナトリウム･イオン電池の独自の特性は、軍事作戦の観点から不可欠である。さらに、環境と兵站の側面を考慮すると、ナトリウム･イオン電池は軍事にとってより持続可能で費用対効果の高い解決策を提供できる可能性がある。したがって、この研究はこれらのシステムの技術的可能性を示すだけでなく、将来の軍事作戦における戦略的重要性にも注目を集めることを目指している。電池の放電は、電流受信機をオンにしたままにしたり、温度が下がったりすることで発生する可能性がある。放電電流は電池容量の1/10(1C)を超えてはならない。放電電圧を下回る放電は、回復不可能な損傷を引き起こす可能性がある。ナトリウム･イオン電池は、リチウム電池よりも安全に使用でき、0 Vまで放電できるため、短絡(爆発、発火)による制御不能な熱放電の可能性が排除される。これは、軍事において特に重要である。
1．はじめに
急速に進化する今日の軍事技術の世界では、エネルギー源の信頼性と効率性が、戦略的および作戦上の優位性を確保する上で重要な要素となっている。エネルギー貯蔵技術革新の最前線にあるナトリウム･イオン電池は、軍事分野で特に重要となっている。これらの新しいエネルギー貯蔵システムには、従来のリチウム・イオン電池に比べて、エネルギー密度が高く、安全性が高く、耐用年数が長いなど、いくつかの利点がある。ナトリウム･イオン電池の動作は、リチウム化合物をナトリウム・ベースの同等物に置き換える化学反応によって電気を生成するリチウム・イオンと完全に類似している。どちらの技術にも、アノード、カソード、セパレーター、および液体電解質がある。固体電極と液体電解質を含む充電式リチウム・イオン電池のナトリウムの挿入－脱挿入反応メカニズムの概略図を図1(省略)に示す。
ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも長期間エネルギーを蓄えることができる。しかし、エネルギー密度はリチウム・イオン電池よりも低いため、構築にはより多くのスペースと材料が必要である。
現在の研究のほとんどは、正極/負極/電解質の性能を評価するために、半電池システム(Na金属を対極として使用)に焦点を当てていることを強調する必要がある。残念ながら、半電池で達成される性能と全電池で達成される性能の関係についての研究はあまりなく、その商業化を加速させていない。半電池は通常、電極、電解質など、ナトリウム･イオン電池の単一コンポーネントの電気化学的性能について広く分析されている。理論研究は通常、全電池の分析に適用される。さらに、Na陽極(半電池に対応)と炭素陽極(全電池に対応)は、サイクル中に溶解した遷移金属イオンのために異なる反応を示す。炭素材料に担持された溶解した遷移金属イオンは副反応を触媒する可能性があるが、ナトリウム陽極にはほとんど影響を及ばさないため、副反応が少なくなり、Naイオンの消費量が少なくなる可能性がある。ナトリウム･イオン電池を商業化するためには、全電池の電極/電解質の詳細な評価が必要であると思われる。さらに、コスト、動作温度、保管、安全性も、全電池を評価する際の重要な指標である。半電池と全電池の概略図と充電/放電プロファイルの概略比較を図2(省略)に示す。
環境保護と持続可能な開発政策の世界的な推進の観点から、Naイオン電池の商業化に関する課題は極めて重要になっている。
半電池と全電池の評価指標の比較、-60～800 ℃の範囲内でのNaイオン全電池のさまざまな反応の広い温度特性、全電池の模式的なGCD(定電流充電/放電)曲線、および仮想全電池のエネルギー密度、クーロン効率、およびカソードとアノードの質量比の慢性的な関係を図3(省略)に示す。
無人車両、通信システム、携帯機器などの軍事用モバイル用途にナトリウム･イオン電池を導入することは、物流とエネルギー効率の飛躍的進歩を意味する。これらの用途でナトリウム･イオン電池を使用すると、機器の自律性と機動性が向上するだけでなく、運用コストと物流コストの削減にも貢献する。これは、軍事予算が限られている場合に非常に重要である。さらに、技術的な観点から見ると、ナトリウム･イオン電池は従来の解決策に比べて大きな利点がある。エネルギー密度が高いため、1回の充電で装置をより長く動作させることができる。これは、エネルギー源へのアクセスが制限されることが多い現場の状況では非常に貴重である。さらに、ナトリウム･イオン電池は極端な温度や機械的損傷に対する耐性が高いため、要求の厳しい軍事環境に最適である。
安全性は、ナトリウム･イオン電池が他のタイプの電池よりも優れている1つの重要な要素である。過熱や火災のリスクなどの熱の問題の影響を受けにくく、これは軍事機器が過酷な条件にさらされる場合に特に重要である。優れた化学的安定性も、故障や損傷のリスクを軽減するのに役立つ。環境の観点から見ると、ナトリウム･イオン電池はより持続可能な選択肢である。ナトリウムはリチウムよりも入手しやすく、環境への害が少ない元素であるため、これらの電池はより環境に優しいものとなっている。環境意識が高まり、持続可能な開発が重視される時代には、この点を考慮する必要がある。その導入は、軍事作戦の効率、機動性、安全性、環境面に大きな影響を与え、防衛技術に新たな機会をもたらす可能性がある。軍事用途におけるナトリウム･イオン電池のリチウム・イオン電池や鉛蓄電池に対する利点を表1(省略)に示す。
ナトリウム･イオン電池の熱挙動を完全に理解するには、一連の可逆および不可逆の電気化学/化学反応の結果として発生する主な熱発生源に関する基礎知識を提供する必要がある。熱には、可逆、分極、副反応の3種類がある。ナトリウム･イオン電池の熱暴走プロセスと熱発生源の概略図を図4(省略)に示す。
ナトリウム･イオン電池の場合、熱暴走現象に関する研究は限られていることを強調しておく必要がある。Liらは図5(省略)に模式的に示すように、異なる加熱電力下でのナトリウム電池と、同じサイズのリン酸鉄リチウム電池およびLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池の熱暴走挙動を調査した。加熱電力の増加に従い、ナトリウム･イオン電池での熱暴走の可能性が大幅に増加し、ガス生成によっても熱暴走伝播挙動が増加することが示された。加熱電力が高いほど、ナトリウム･イオン電池はより大きな熱暴走能力を示し、熱暴走トリガー時間が大幅に短縮される。加熱電力が低い場合、ナトリウム･イオン電池のTRP係数、平均重量損失、最大重量損失が大幅に増強する。さらに、炎が自然に消える現象も観察されている。Liらが調査した電池の熱暴走ハザード評価モデルによると、ナトリウム･イオン電池の熱暴走ハザードはリン酸鉄リチウム電池とLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池の中間である。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2電池とは対照的に、ナトリウム･イオン電池とリン酸鉄リチウム電池は外部からの点火がなければ衝動的な燃焼を起こさないために、ナトリウム・ベースのエネルギー貯蔵発電所を調査することが重要な意味を持つ。
以下省略。
2．結果と考察
2.1. 軍事分野における電池の使用
2.2. リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の比較分析
2.3. ナトリウム･イオン電池の課題
2.4. ナトリウム･イオン電池の商業化
2.5. 軍事用電池の要件
2.6. 軍事用途向けナトリウム･イオン電池の容量、電圧、性能要件
2.7. 安全性と耐候性の要件
2.8. 軍事用途におけるナトリウム･イオン電池の重要性と展望
以上の章と節は省略。
3．結論
ナトリウム･イオン電池は、安全性、信頼性、戦略的独立性が極めて重要な軍事分野において、リチウム・イオン技術の有望な代替手段となる。その開発と応用は、軍隊の近代化と運用効率の向上に大きく貢献できるが、そのためにはさらなる研究と研究開発が必要である。現在、ナトリウム･イオン電池は、手頃な価格、安全性、および極度の温度用途への適合性を示している。ここでは、これらの技術の研究と実装の将来の方向性についていくつかの推奨事項を示す：
● エネルギー密度の向上：進行中の作業では、ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度を高めて、特に長期の装置動作を必要とする用途で、リチウム・イオン電池との競争力を高めることに重点を置く必要がある。
● カソードとアノードの材料の最適化：電極材料のさらなる研究によりナトリウム･イオン電池の性能、耐久性、コストが大幅に向上す可能性がある。
● 固体電解質の開発：固体電解質はナトリウム･イオン電池の安全性を高かめることができ、これは軍事用途や電気自動車で特に重要である。
● リサイクルと持続可能性：ナトリウム･イオン電池をリサイクルするための効果的な方法を開発することは、持続可能性と環境への影響を最小限に抑えるために不可欠である。
ナトリウム･イオン電池は、安価で安全なエネルギー貯蔵技術に革命を起こす可能性がある。ナトリウム･イオン電池と既存のリチウム・イオン電池の基本的な動作原理と材料の類似性により、この技術を迅速に市場に投入できる。さらに、既存のリチウム・イオン生産ラインを使用すると、ナトリウム･イオンの生産はさらにコスト効率が高くなる。
電池で駆動する軍事機器は広範囲の充電電流の要件を満たす必要がある。これは、フィールド・ゼネレイターとフィールド電力ネットワークから充電される電池は、電圧と電流の不安定性に耐える必要がある。一部のアノードとカソードの材料は、極端な電流値の影響を受けやすい。このような不安定な状態での1回または短期間の充電でも、正極または負極の構造が損傷し、電池容量が低下したり、充電サイクルの回数が減少したりする可能性がある。
新しく開発されたナトリウム･イオン電池は、液体電解質(固体電解質)を使用しない設計で、電池の安全性、機械的強度、熱安定性が向上している。この設計により、より高いエネルギー密度(1000Wh/L)が実現する。将来的には、ナトリウム･イオン電池はエネルギー密度がますます高くなるため、同じ質量と容量電池で適用可能な軍用車両の範囲を拡大することができる。急速充電によりダウンタイムが数分に短縮され、軍用電気自動車の実用性が格段に高まる。
これらの変更が軍隊にどの程度の速さで導入されるかを予測することは困難である。現在、北大西洋条約機構の科学技術機関やその他の国際機関から、この技術の期待を確認し、特定し、具体的な範囲を定義できる公式ガイドラインはない。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と同じ原理を共有しており、それが大きな利点である。しかし、これらの装置は重量制限があるため航空機には適用できないが、陸海軍には適している。これらの2つの分野の動向を観察すると、ハイブリッド解決策が示唆される。その場合、メインシステムは従来の燃料エンジンまたは水素駆動ユニットをベースにし、電池パックを備えた電気ユニットでサポートされる可能性がある。リチウムからナトリウムへの移行を支持する主な議論は、経済的、ロジスティクス的、および戦略的側面に基づいている。技術的および生産的観点から、ナトリウムをリチウムに置き換えると、コンポーネントへの完全なアクセスが保証される。
