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ナトリウム･イオン電池はインドのネットゼロの野望を

実現する可能性がある

Sodium-Ion Batteries Could Deliver India’s Net Zero Ambitions

By Rajendra S Dhaka

https://www.chemistryworld.com/         2024.11.08

 

世界のエネルギー需要が急増する中、持続可能なエネルギー貯蔵解決策の必要性がますます高まっている。2030年までに非化石エネルギー容量を500 GWにするというインドの野心的な目標(現在の約200 GWから増加)は、同国の気候変動対策戦略の要である。COP26でのインドのPanchamrit目標で強調されているように、この目標の重要な要素であり、同国の炭素強度を2005年のレベルから45％削減するには、再生可能エネルギー源によって生成されたエネルギーを貯蔵し、オンデマンドで供給できる技術が必要である。

リチウム・イオン電池は長い間エネルギー貯蔵市場を支配してきたが、リチウムやコバルトなどの希少資源への依存は、コストと入手可能性の面で大きな課題となっている。インドにはリチウム鉱床がほとんどなく、リチウムとコバルトの採掘を巡る高コストと地政学的不確実性により、リチウムのサプライチェーンに問題が生じ、再生可能エネルギーへの移行が遅れている。

インドのエネルギー貯蔵における自立を可能にするために、ナトリウム･イオン電池が有望なエネルギー貯蔵の代替手段として浮上している。この技術はリチウム・イオン電池に匹敵する電気化学的特性を持っているが、より豊富な材料を使用することで、より高い拡張性とより低い製造コストを提供する。

　しかし、コスト効率が高くエネルギー密度の高いナトリウム･イオン電池の開発には、リチウムに比べてナトリウム･イオンのサイズと質量が大きいことが主な原因で、依然として多くの課題がある。ナトリウム･イオン電池はまだ商業化の初期段階であるが、すでに送電網規模のエネルギー貯蔵システムで使用されている。2023年には、ナトリウム・イオン技術を使用した2時間5MW/10MWh送電網電池が中国に設置された。

　

ナトリウム・イオン技術の課題

　ナトリウム自体は豊富であるが、ナトリウム･イオン電池の潜在能力を最大限に引き出す上で、効率的で高性能な電極材料を見つける国家的な取り組みで考慮すべき事項が依然として大きなハードルとなっている。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池に比べて質量が大きいため、高エネルギー密度の実現が難しく、電気自動車などの要求の厳しい用途では有効性が制限される。フルセルナトリウム･イオン電池には硬質炭素が使用されているが、拡散速度を理解するために、より効率的なアノード材料を探索する必要もある。現在、ナトリウム･イオン電池に使用されているカソード材料は、主に層状、ポリアニオン、プルシアン・ブルー類似体であり、これらには多くの利点があるが、エネルギー密度、サイクル寿命、充電速度の点で大幅な改善が必要である。層状カソード材料はエネルギー密度が高いが、構造が不安定で容量が急速に低下するため、長期的な実用性が限られている。そのため、有望なNa3V2(PO4)3を含むNASICON化合物などのポリアニオン・カソード材料が近年研究されているが、これらの材料は電子伝導性が低いため、高性能電池での実用化が制限されている。

 

潜在的な解決策

　したがって、ナトリウム･イオン電池の可能性を解き放つ鍵は、新しいカソード材料の開発にある。具体的には、高エネルギー密度のカソードは、綿密な構造設計と形態制御によって実現でき、最適な電気化学的性能と可逆性を保証する。有望な研究は、材料の入手可能性、強化された酸化安定性、細かく調整された動作電位、堅牢な3Dフレームワークのため、ナノ構造のポリアニオン材料、特にマンガンと鉄ベースのNASICON型構造の合成に焦点を当てている。

　ナノ構造化、炭素コーティング、ドーピング、ハイブリッド材料システムなどの技術は、リチウム・イオン電池の研究で広く採用されており、大幅な性能向上につながっている。ポリアニオン・マンガン材料は、インドで豊富に存在し、コスト効率も優れているため、特に魅力的であり、バナジウムやコバルトなどの材料に比べて大きな利点がある。しかし、マンガン・ベースのカソードは、ヤーン・テラー歪みと低い電子伝導性により構造的に不安定で、サイクル中のナトリウム･イオンの移動を妨げる。また、Fe3+/2+の酸化還元電位が低いため、エネルギー密度が低下する。そのため、研究は、サイクル中の構造的安定性を高めるためのドーピング戦略と、SO4などのより電気陰性度の高い種でPO4環境を調整し、誘導効果によって動作電位を高めることに重点を置いている。

　従来のポリオレフィン・ベースのセパレーター材料に代わる材料を模索することで、例えば、セルロースを使用することで、ナトリウム･イオン電池の効率とコストを改善することもできる。混合ポリアニオンの新しい設計により、約155 Wh/kgのエネルギー密度を達成できる。しかし、目標は少なくとも2000サイクルのサイクル寿命と80％の容量保持で、270 Wh/kgを超えるエネルギー密度を達成することである。

 

構造的および政治的要因

　これらの技術的および科学的障害に加えて、再生可能エネルギーとクリーン・テクノロジーを促進する政府の政策も、ナトリウム･イオン電池の開発と採用を支援するために必要である。研究へのインセンティブとグリーン製造プロセスへの補助金は、この移行の有望な促進要因である。

　カソード材料の理解と最適化を向上させるには、その場測定(XRD、XPS、EXAFS、ラマン)などの分析技術の進歩も必要である。インドのPRCATにはすでにシンクロトロン施設が1つあるが、電極材料の構造的および界面的進化を理解するのに役立つように、このような施設をさらに設置する必要がある。

　研究開発と生産プロセスの拡大に必要な投資は、特に電池分野の中小企業や新興企業にとって大きな障害となる可能性がある。インド政府は最近、インドのエネルギー貯蔵産業を支援するロードマップを発表した。産業関係者、研究機関、政府機関間のパートナーシップは、知識の共有を促進するだけでなく、リソースのプールとナトリウム･イオン電池の容易な商業化にも役立つ。

　リチウム・イオン部門における政府、学界、産業界の連携の成功は、ナトリウム・イオン技術の開発のモデルとなり得る。例えば、固体電池の開発におけるパートナーシップは、イノベーションと商業化のタイムラインを加速させ、大学と産業界の研究者を結集するイギリスのファラデー研究所は、そのような連携モデルの一例である。

　他の電池技術と同様に、ナトリウム･イオン電池の廃棄は環境上の課題を伴う。効率的なリサイクル方法の開発は、電池廃棄物の環境への影響を最小限に抑えるために不可欠である。堅牢なリサイクル・インフラストラクチャとリサイクルに対する経済的インセンティブの創出は、ナトリウム･イオン電池の廃棄を管理するのに役立つ。ナトリウム･イオン電池は希少で有毒な材料への依存を減らす可能性があるが、その寿命管理を確実にすることは持続可能な開発にとって同様に重要である。

　高性能のナトリウム･イオン電池を開発することで、業界はこれらの障壁を克服し、容量クリーンなエネルギー源への移行を加速し、インドの野心的なエネルギー目標をサポートすることができる。