ナトリウム･イオン電池はどのようにして電気自動車を
安くできるか？
How Sodium-Ion Batteries Could Make Electric Cars Cheaper
By Robert House
The Conversation 2023.10.10
気候危機を克服するには、ガソリンやディーゼルを燃料とする自動車を再生可能な代替自動車に置き換える必要がある。電気自動車は利用可能な最良の選択肢であると広く考えられている。
これは、電気自動車は送電網からの再生可能電力で駆動できるため、化石燃料の必要性が回避されるためである。このエネルギーをほぼ100％の効率で貯蔵および放出できるが、ほとんどの最新の自動車の内燃エンジンは燃料からのエネルギーの約30％しか有効に変換できない。電気自動車は何千回も充電できるため、従来の車と同様の生涯走行距離を維持できる。このエンジニアリングの偉業は充電式電池のお陰で可能になる。
リチウム・イオンは市販されている電池技術の中で最も高性能である。しかし、これらの電池の需要は急増しており、電池を製造するための原材料のコストは高くなっており、炭酸リチウムの価格だけでも2020年末から2022年の間に10倍に上昇した。既知のリチウム鉱床の84％以上がアルゼンチン、オーストラリア、チリ、中国に集中している。メーカーにとってリチウム・イオン電池の原材料の確保は困難であり、費用がかかる場合がある。
ありがたいことに、リチウムではなくナトリウム･イオンをベースにした電池はこれらの問題を克服することができ、最終的にはより安価に購入できる電気自動車につながる可能性がある。
ナトリウム･イオンとリチウム・イオン
電池はサンドイッチのように考えることができる。電池の2つの電極(カソードとアノードと呼ばれる)は、電解質の詰め物を含むパンのスライスの様なものである。電解質は通常、各電極を浸し、その中に溶解した高濃度のイオンを保持する液体である。
電池が充電されるとき、イオンはアノードに向かって移動し、エネルギーが必要になるまで内部に蓄えられる。車のスイッチを入れると、それらは逆にカソードに戻り、外部回路を介して電流を生成し、車を前進させるモーターに電力を供給する。
リチウムはイオンが小さくて軽いため、使用するのに最適な元素である。これは、電極内に電力をしっかり詰め込み、素早く移動させることができ、わずか20分で充電できる電池を製造できることを意味する。
しかし、僅差の2位はナトリウムである。周期表のリチウムのスマートグリッド下に位置するナトリウムは、電池材料中を素早く移動する能力など、多くの化学的特性を共有する。しかし、地球上にリチウムの1,000倍も豊富に存在することから恩恵を受けている。
ナトリウム･イオン電池を製造するための主要な材料である炭酸リチウム(またはソーダ灰)は、岩石や塩湖の塩水に含まれているか、工場で石灰石と塩から製造されている。これらの鉱物は両方とも広く入手可能であり、事実上無尽蔵である。
リチウムからナトリウム・イオン電池に移行すると、重要な鉱物への依存が高まり、より安価な電池パックが得られる可能性がある。しかし、それらはまだ電気自動車に電力を供給するのに十分な性能なのであろうか？
最近のリチウム・イオン電池は1回のフル充電で電気自動車に約300～400マイル走行できる。残念ながら、ナトリウム･イオンはリチウム・イオンより3倍重く、3分の1大きい。これは、同じ量のエネルギーを保持するには、ナトリウム･イオン電池の電極をより厚く、より重くする必要があることを意味している。
コスト・メリット
最近の技術革新は、ナトリウム電池が一部のリチウム・イオン・システム、特に業界ではLFPとして知られるリン酸鉄リチウム正極を使用するシステムに匹敵し始めていることを意味する。LFPを含む電池は、クラス最高の技術ほど高密度にエネルギーを蓄えることはできないが、通常、約20％安価であるため、これらの電池の重要性は高まっている。
さまざまなナトリウム･イオン正極が開発されているが、最も多くのエネルギーを消費する電池は層状酸化物正極である。これらの電池は150～250マイル走行可能な安価な電気自動車を提供するのに十分な性能を備えている。最近の分析では、最新のナトリウム･イオン電池パックは原材料が安価であるため、LFP電池のコストをさらに下げることができることが示されている。
その結果、ナトリウム・イオン技術は、特に通勤者や都市部のドライバーに適した航続距離を備えた低コストの電気自動車を提供できるようになる。
中国はすでにこの可能性を認識している。中国の電池会社CATLは最近、中国の自動車メーカー奇瑞汽車の新型電気自動車向けにナトリウム電池を供給する意向を明らかにした。他の2つの中国メーカー、HiNaとJACグループも、155マイルの航続が可能なナトリウム動力モデルを発表しており、中国では約1万ドルで販売されていると伝えられている。
ナトリウム･イオン電気自動車の展望
ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度を改善する余地はまだ大きくある。ボトルネックの1つはカソードである。最良の層状酸化物正極材料は、負極の約半分のナトリウム･イオンしか蓄えられない。つまり、サンドイッチの両側のバランスを取るために実質的に2倍の正極材料を使用する必要があり、電池の重量が増加することになる。
より多くのナトリウム･イオンを構造内に蓄え、より高い電力出力を供給できる新しいカソード材料を開発する研究が進行中であり、電気自動車の走行距離の向上につながる。
ナトリウム･イオン電池が電気自動車市場に参入し始めている。短距離リチウム電池との競争で何処まで行けるかはまだ分からず、経済的な逆風と材料科学の進歩に左右される。
少なくとも、ナトリウム･イオン電気自動車についてよく耳にするようになるのは間違いない。
