ドイツの塩化ナトリウムCERENERGY全固体(SCSS)電池
プロジェクト
German Sodium Chloride CERENERGY Solid State (SCSS) Battery Project
https://www.altechgroup.com/ より
アルテック、送電網貯蔵向けに100 MWhの塩化ナトリウム全固体電池を商品化へ
Altech Batteries Limitedは、塩化ナトリウム全固体(SCSS)電池を商品化するため、ドイツの大手電池研究所であるFraunhofer IKTS(「フラウンホーファー」)と合弁契約を締結した。アルテックは合弁会社(Altech Batteries GmbH)の75％の過半数所有者となり、ドイツのザクセン州シュヴァルツェプンペの敷地で100 MWhのプロジェクトを商業化する予定である。SCSS電池のブランド名CERENRGY電池は、アルテックの中核事業と能力に強く結びつく重要なセラミック固体電解質に高純度アルミナを使用している。
プロジェクト
塩化ナトリウム全固体(CERENERGY)電池(歴史的には塩化ニッケル・ナトリウム電池としても知られている)は、将来の送電網貯蔵電池となる。CERENERGY技術はFraunhofer IKTSによって過去8年間にわたって開発され、以前の技術に革命をもたらし、より高いエネルギー容量とより低い生産コストを可能にした。容量の点で世界最大のCERENERGYタイプの電池は、すでに定置型電池モジュールでのテストに成功している。Fraunhofer CERENERGY電池は製品テストの最終段階にあり、商業化の準備が整っている。Fraunhoferは研究開発に3,500万ユーロを費やし、ドイツのヘルムスドルフで2,500万ユーロのパイロットプラントを運営している。
Fraunhoferはドイツの土地を利用でき、資金にアクセスでき、プロジェクトの推進者であり、電池技術とセラミックスに使われるアルミナの技術を持っている起業家パートナーを探している。アルテックは基準を満たしており、合弁会社が設立された。アルテック・グループはプロジェクトの大部分(75％)を所有し、Fraunhofer(25％)は無償で保有される。知的財産は合弁事業に独占的にライセンスされる。
この合弁事業は、ドイツのザクセン州にあるアルテックの敷地内に100 MWh CERENERGY電池プラントを開発することを選択した。ターゲット市場は、今後数年間、28％年平均成長率で成長すると予想されるグリッド(定置)エネルギー貯蔵市場に特に焦点を当てている。世界のグリッド・エネルギー貯蔵市場は、2022年の44億米ドルから2027年までに151億米ドルに成長すると予想されている。さらに、2020年の20 GWから2050年までに3,000 GW以上に成長すると予想されている。CERENERGY電池は、高い安全性を提供できる。定置型エネルギー貯蔵市場の取得コストと運用コストが低い。
合弁事業は、商業化プロセスに必要な資金調達可能性調査の計画プロセスを開始した。トレイン1 (100 MWh) 発電所が建設され稼働したら、合弁会社の長期的なビジョンは、ザクセン州に列車またはギガワット電池施設を検討することである。
アルテックは、再生可能エネルギーおよび送電網貯蔵市場向けに設計されたCERENERGYナトリウム・アルミナ固体状態(SAS)60 kWh電池パック(ABS60)を設計し、発売した。100 MWh CERENERGY電池プロジェクトの潜在的な引取者との予備的な話し合いに基づいて、提案された10キロワット時(KWh)の電池モジュールは、600 Vおよび100アンペア時の高電圧定格の60キロワット時の電池パック(ABS60)に置き換えられた。電池設計のビデオはアルテック・ウェブサイトまたはYou Tube https://youtu.be/OHPdGvaOlmlで見ることができる。
アルテックは、再生可能エネルギーおよび送電網貯蔵市場向けのCERENERGYナトリウム・アルミナ固体状態(SAS)1.0 MWHグリッド・パック(ABS1000)の設計を開始した。潜在的なオフテイカーとの事前協議に基づいて、個々のABS60 60 KWh電池パックの現場での設置を最小限に抑えるために、プレインストールされた解決策が開始された。各グリッド・パックには、最大20個の60 KWh電池パックが取り付けられ、パック電源管理システムに接続される。すべてのグリッド・パックは、DC 600 Vおよび100 Ahという明確な定格を持ち、直列(クラスターまたはアレイ)に配置して、グリッド機能に必要な数千KWの定格を達成できる。これに関するビデオは、アルテックのウェブサイトで見ることができる。
リチウム・イオン電池の課題
火災と爆発の問題
リチウム・イオン電池の重大な欠点の1つは、最近ニュースになっている熱暴走、火災、爆発の危険性である。現在のリチウム・イオン電池には可燃性の液体電解質と可燃性プラスチックのセパレーターが含まれていろ。熱暴走は電池セル内の連鎖反応であり、一度始まると止めるのは非常に困難である。これは、電池内の温度が電池内で化学反応(酸素の生成)を引き起こす温度に達すると発生する。多くの場合、過熱、物理的損傷、過充電が原因で発生する。
狭い動作温度範囲
もう1つの欠点は、＋15℃～+30℃という比較的狭い温度範囲で動作する必要があることである。温度が低くなると、電池内の電解液の粘度が高くなり、リチウムの移動と反応が遅くなる。リチウム電池を0℃で使用すると、標準的な電池容量が70％まで減少する。このため、寒冷地や砂漠気候でのリチウム・イオン電池の利用は非常に困難になる。多くの場合、利用可能な電池エネルギーはこれらの電池の加熱または冷却に使用される。
リチウム・イオン電池の寿命
第三に、リチウム・イオン電池の寿命は用途にもよるが、依然として7～10年に限られている。リチウム・イオンは充電と放電のサイクル毎に劣化する。この劣化は、多くの場合、有害な副反応、樹枝状結晶の成長、アノードとカソードの構造の破壊が原因である。電池が理想的な温度範囲外で動作すると、この劣化ははるかに早くなる。電気自動車の場合、電池の容量が70％を下回った場合、メーカーは電池を約8年間保証する。送電網蓄電池の場合、寿命は7～10年と予想される。送電網貯蔵の場合、交換コストを考慮した貯蔵コストが電池の長期保管コストとなる。
リチウムのコストと入手可能性
リチウムの世界市場は急速に成長している。リチウム・イオン電池の最も重要な部品であるリチウムの価格は、年初から6倍に上昇した。リチウムの価格が高騰しており、リチウム・イオン電池に関連する生産コストに上昇圧力がかかっている。リチウムの生産はオーストラリア、チリ、中国、アルゼンチンの4ヶ国に集中している。電気自動車や定置型エネルギー貯蔵の予測需要を満たすのに十分な鉱山や生産能力が開発されていないのではないかという大きな懸念がある。
コバルトのサプライチェーンと倫理的懸念
コバルトは、電池動作中にリチウム・イオンが正極に出入りする際に正極の層状構造を安定に保つために、エネルギー密度と電池寿命を向上させる鍵となる。コバルトは、短期および中期的に電気自動車にとって最も高い材料サプライチェーン・リスクと考えられている。電気自動車用電池には、100 kWhのパック毎に最大20 kgのコバルトを含めることができる。現時点では、コバルトはリチウム・イオン電気自動車用電池の正極の重量の最大20％を占めることができる。コンゴ民主共和国は世界のコバルトの約70％を生産しており、リチウム・イオン電池業界はサプライチェーンの不安定な問題にさらされている。コンゴ民主共和国における過酷で危険な労働条件、児童労働、人権侵害に関する話は、コバルト供給に関する倫理的な懸念を引き起こしている。
グラファイトの地政学的リスク
したがって、グラファイトは電気自動車への世界的な移行に不可欠であると考えられている。また、重量の点でリチウム・イオン電池の最大の成分でもあり、各電池には20～30％のグラファイトが含まれている。しかし、製造プロセスでの損失により、電池を製造するにはリチウムの30倍の黒鉛が必要になる。電気自動車用電池の負極材料の需要が供給を上回り、価格上昇につながるため、黒鉛の不足が始まっている。現在、中国は世界の黒鉛負極材料の90％を生産しており、業界にとって懸念される地政学的リスクとなっている。
銅危機
銅は主にリチウム・イオン電池の負極部分の集電体として使用されている。銅が最大の懸念材料として浮上しており、不足の最大の要因はエネルギー転換と電気自動車需要の増加である。最近のレポート(Future of Copper)では、次のように述べている。「短期および中期的に銅の生産量を大幅に増加させなければ、2050年の気候変動目標は達成できない。高齢者は非常に困難である。」電池式電気自動車には、標準的な内部燃焼排出車の2.5倍の銅が必要である。S&Pグローバルが2030年までに年間販売すると予測している2,700万台の電気自動車の生産に必要な銅をすべて供給するには、建設または拡張されている銅鉱山がまったく足りない。一部の国では、銅は国家エネルギー安全保障上の懸念として石油に匹敵する可能性がある。
理想的な電池？
リチウム・イオン電池が直面する上記の課題と、これらの電池に使用される重要な材料および金属の価格上昇を踏まえると、これらの問題を解決する電池技術はあるのだろうか？耐火性および防爆性があり、15年以上の寿命を持ち、極寒の気候や砂漠の気候でも動作する電池はあるか？リチウム・フリー、コバルト・フリー、グラファイト・フリー、そして最終的には銅フリーで、重要な金属価格の高騰やサプライチェーンの懸念への曝露を制限する、利用可能な電池技術はあるのだろうか？
アルテックのナトリウム・アルミナ全固体電池CERENERGY電池を紹介する
CERENERGY電池は今日リチウム・イオン電池が直面している最大の問題のいくつかを解決する。
CERENERGY電池は防火性および防爆性を備えている
CERENERGY電池は完全に耐火性および防爆性があり、熱暴走が起こりにくいことが、リチウム・イオン電池に優る最大の利点の1つである。まず、CERENERGY電池には可燃性の電解液やプラスチックのセパレーターが含まれていない。電解質は固体の可燃性セラミック・チューブであり、ナトリウム･イオンがその中を移動する。第二に、電池はその化学的性質により、熱暴走時にリチウム・イオン電池のように酸化物を含まず、カソードで酸素を生成しない。非常に安全な電池であるため、屋内の産業用および商業用エネルギー貯蔵施設に最適である。電池は完全に安全で水と反応せず、リチウム・イオン電池の用途が禁止されている洪水の危険がある地域など、敏感な環境向けに高度に選別されている。
広い動作温度範囲－寒冷地および砂漠気候
CERENERGY電池はマイナス20℃～+60℃の範囲で効率的に動作し、周囲温度に関係なく高いパフォーマンスと耐久性を保証する。CERENERGY電池には液体電解質(固体セラミック電解質)が含まれていないため、周囲温度が電池の性能に悪影響を与えることはない。さらに、CERENERGY電池は内部が高温電池(約300℃で動作)であるが、完全に絶縁されているため、電池モジュールの外部は「人が触れる」温度になる。電池の中心温度は自動的に維持されるため、リチウム・イオン電池のように冷却する必要はない。これらは、リチウム・イオン電池の主な欠点である極寒および砂漠気候に最適な送電網エネルギー貯蔵電池である。このため、CERENERGY電池には、リチウム・イオン電池との競合がなく、独自の市場がある。
CERENERGY電池の寿命
リチウム・イオン電池とは異なり、充放電のたびにナトリウム･イオンが劣化することがない。最初のサイクル損失、有害な副反応、樹枝状結晶の成長、またはアノードおよびカソード構造の破壊はない。液体電解質が固体セラミックに置き換えられていないため、電池のナトリウム劣化が実質的にない。CERENERGY電池の寿命は15年以上である。ITP Renewablesによる最近の研究では、CERENERGYタイプの電池は、最初の700サイクルのテストでは、LFPおよびNMCリチウム・イオン電池の通常の劣化と比較して、推定される健康状態の劣化が見られなかった。図(省略)を参照して下さい。CERENERGYタイプの電池の寿命は2,000サイクルを超えることが報告されており、フルサイズの電池では15年以上実証されている。
リチウム・フリー電池
CERENERGY電池にはリチウムは含まれていないが、一般的な食塩からのナトリウム･イオンが使用されている。実際、陰極には塩(塩化ナトリウム)とニッケルで構成されている。ナトリウムは、周期表上でリチウムの次に反応性の高いアルカリ金属であり(Liは-3.05 V、Naは-2.7 V)、同様に電池のエネルギー貯蔵に理想的である。塩は重要な元素ではなく、リチウムよりも何倍も安価で、どこでも簡単に入手できる。CERENERGYタイプの電池は、「塩化ナトリウム・ニッケル」電池としても知られている。CERENERGY技術は、ナトリウム･イオン電池(液体電解質を含む)やナトリウム硫黄電池(塩化ナトリウムの代わりにナトリウム硫黄)電池とは異なる。CERENERGY電池は、世界中でリチウム価格の高騰やリチウムの潜在的な供給制約にさらされていない。
コバルトのサプライチェーンと倫理的懸念
CERENERGY電池にはコバルトは使用されていない。前述したように、カソードは塩化ナトリウム・アルミニウム媒体中の塩とニッケルから構成される。電池の化学的性質により、リチウム・イオン電池のように正極層構造は必要ないため、コバルトも必要はない。CERENERGY電池は、LFPリチウム・イオン電池の90～160 Wh/kgと比較して、110～130 Wh/kgという優れた比エネルギーを持っている。CERENERGY電池は、コバルトの倫理やサプライチェーンの問題にさらされることはない。
グラファイトと銅の供給リスク
CERENERGY電池のもう1つのユニークな特徴は、電池のアノード側にグラファイトや銅が含まれていないことである。実際、CERENERGY電池には負極がない。アノードは充電プロセス中にのみ、スチール電極とセラミック電解質の外縁の間に溶融ナトリウム膜として形成される。同様に、溶融ナトリウム陰極は電池の放電プロセス中に溶解する。リチウム・イオン電池の負極集電体としての銅の代わりに、CERENERGY電池ではスチール製のキャニスターが負極として機能する。CERENERGY電池にはグラファイトも銅も含まれていない。
CERENERGY電池とは何か？
CERENERGY電池は、中心に正端子を備えたセラミック・チューブ(ナトリウム･イオンに対しては導電性であるが電子に対しては絶縁体)で構成されている。固体セラミック・チューブ(固体状態技術)は、リチウム・イオン電池の電解液と同じ機能を果たし、ナトリウム･イオンの移動を可能にする。IKTS(セラミックス研究所)は、ナトリウム･イオンの高速移動を可能にする微細構造を備えたこれらの大型固体セラミック・チューブを製造する固体状態技術を開発した。セラミック・チューブには、一般的な食塩とニッケルからなるカソード顆粒が充填されている。固体カソード顆粒とセラミック電解質チューブの間の接触を確実にするために、チューブには塩化ナトリウム・アルミニウム媒体が満たされている。
セラミック・チューブは、マイナス端子として機能するスチール・キャニスターに収容されている。電子の移動と他のセルへの接続のために、プラスとマイナスの端子タブがセルの上部に取り付けられている。各セルは2.58 Vで動作し、40個のセルの集合体が耐火物で絶縁されたモジュール・ケーシング内に設置される。各モジュールの定格は10 KWhおよび100 aHである。CERENERGY電池の技術のハイライトは、高い比エネルギー；過酷な動作環境における優れた性能とサイクル寿命；超長い電池寿命と低い環境への影響である。
電池の仕組み
CERENERGY電池が充電されているとき、電子はプラス端子からマイナス端子に流れる。塩(塩化ナトリウム)からのナトリウム･イオンは固体セラミック電極を通ってキャニスターの負の端子に向かって移動する。残りの塩化物イオンはニッケルに付着して、カソード媒体中で塩化ニッケルを形成する。ナトリウムはセラミック・チューブの外側に溶融したアノード層を形成し、スチール製キャニスターと接触し、電池は完全に充電される。放電中、電子が逆流し、溶融ナトリウムがナトリウム･イオンに酸化され、固体セラミック・チューブを通って逆流して塩化ナトリウムが形成される。塩化ニッケルは金属ニッケルを還元したものである。
電池の電気化学反応は次の通りである：
エネルギー密度
CERENERGY電池は、エネルギーと電力密度の点で優れた性能を提供する。エネルギー容量は約110～130 Wh/kgで、LFPリチウム・イオン電池(90～110 Wh/kg)に匹敵する。CERENERGY電池は4～6時間かけて充電し、同様の時間をかけて放電するため、送電網貯蔵市場に最適である。電気自動車の用途とは対照的に、定置型蓄電池用の電池には質量や体積の制約がない。しかし、大量のエネルギーと電力が含まれるため、電力またはエネルギー単位当りのコストが重要になる。送電網規模貯蔵の技術の関心を評価するための関連指標は、Wh/kgではなく、＄/Whである。合弁会社は、CERENERGY電池が短時間で非常に高い電力(高出力電気自動車など)を必要としない送電網貯蔵または長時間エネルギー分野に最適であると考えている。電池は送電網貯蔵で必要とされる600 V以上を満たすように構成できる。
この電池工場では、それぞれ定格容量60 KWhの電池パックを年間1,666個生産する予定である。これらのCERENERGYモジュールはKWh当り700～900ユーロで販売されると予想される。
送電網貯蔵市場
送電網エネルギー貯蔵(大規模エネルギー貯蔵とも呼ばれる)は、電力網内で大規模なエネルギー貯蔵に使用され方法の集合である。電気エネルギーは、電力が豊富で安価なとき(特に風力、潮力、太陽光発電による再生可能電力などの断続的な電源からの場合)または需要が低いときに蓄えられ、その後、需要が高くなったときに送電網に戻される。電気料金は高くなる傾向にある。蓄電池の開発により、商業的に実行可能なプロジェクトが生産のピーク時にエネルギーを貯蔵し、需要のピーク時に放出し、生産が予想外に低下して応答が遅いリソースをオンラインにする時間が生じた場合に使用できるようになった。
アルテックのCERENERGY電池は、今後数十年間で、28％CAGRで成長すると予想されるこの送電網エネルギー貯蔵市場への供給を目標としている。世界の送電網エネルギー貯蔵市場は、2022年の44億米ドルから2027年までに151億米ドルに成長すると予想されている。さらに、2020年の20 GWから2050年までに3,000 GW以上に成長すると予想されている。
大規模な送電網用途向けに電池エネルギー貯蔵システムがいくつか導入されている。一例として、Hornsdale Power Reserveは、2017年12月から南オーストラリア州で運用されている世界最大のリチウム・イオン送電網貯蔵である100 MW/129 MWhリチウム・イオン電池設備である。Hornsdale Power Reserveは、2つの異なるサービス；エネルギー裁定取引と不測の事態に備えたスピニング・リザーブを提供する。この施設は、その容量のうち30 MWと119 MWhをエネルギー裁定取引のための市場に直接入札することができるが、残りは、他の低速発電機がオンラインになるまで、予期せぬ停電時の系統周波数を維持するために保留される。2017年に大規模な石炭火力発電所が予期せず停止した後、Hornsdale Power Reserveはミリ秒以内に数メガワットの電力を系統に注入することができ、ガス発電機が応答するまで系統周波数の低下を阻止した。周波数の低下を阻止することで、施設は起こり得る連続停電を防ぐことができた。
合弁契約の内容
すべての契約における関連詳細
Fraunhofer IKTSの背景
以上は省略。
