混乱または誇大宣伝：ナトリウム･イオン電池は電気自動車の
リチウム・イオン電池に追いつき、置き換えられているか？
Disruption or Hype: Are Sodium-Ion Batteries Catching Up and Replacing Lithium-Ion Ones in EV?
By Jin-Luh Mou
https://www.digitimes.com/ 2022/.12.23
近年、ナトリウム･イオン電池の人気が急上昇している。Contemporary Amperex Technology（CALT）、Gotion Hi-Tech, EVE Energy and BYDなどの中国企業はすべて、ナトリウム･イオン電池の研究に取り組んでいる。CALTは
それらを大量生産しようとさえしている。ナトリウム･イオン電池の分析をいくつか紹介する。
ナトリウム･イオン電池が魅力的になる3通常の理由
第一に、リチウム原料、特に電池グレードの炭酸リチウムの価格は過去数年間不安定であり、将来の経口を把握するのは容易ではない。中国のリチウムの70％以上が輸入されており、価格決定力は生産国の企業によって管理されている。したがって、自動車メーカーにとっては、手の届くところにある代替製品を見つける必要がある。
第二に、ナトリウム-リチウム電池の基本原理はリチウム・イオン電池の基本原理と同じである。リチウム・イオン電池の既存の技術システムのほとんどは、ナトリウム･イオン電池に変換できる。もちろん、いくつかの障壁を克服する必要がある。相対的に言えば、この実装の技術コストはまったく新しい電池を開発するためのコストと時間よりも低くなる。
第三に、リチウム電池の現在の不足は、ナトリウム･イオン電池によって完全に回復または克服されているようである。技術的な実現可能性とコスト差を総合的に考えると、リチウム・イオン電池に固執する代わりに、逆の方法に進む方が良いであろう。
リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池は双子の兄弟と言える。それらは両方とも同じ遺伝子を持ち、「ロッキングチェア電池」に属している。それらは両方とも、カソードとアノードの間を行き来するために金属イオンに依存している。早くも1970年代に、2つの電池が同時に発明された。しかし、産業開発の後期段階では、ナトリウム-リチウム電池は適切な電極材料を見つけられず、研究条件が成熟しなかった理由は無関心であった。しかし、それどころかリチウム・イオン電池は、カソードおよびアノード材料、セパレーター・フィルム、および電解質において技術的ブレークスルーを達成した。それは1991年にソニーによって商品化された。これまでのところ、リチウム・イオン電池は本質的な技術システムの開発を完了し、人々は多くの技術的詳細を理解し、電池の加工生産とパッケージ技術により、これらは比較的成熟していると言える。言い換えれば、このように残りはリチウム・イオンをトリウム･イオンに置き換えることですね？そうです。しかし、この方法で作成した電池は、電気自動車だけを運転するために使用することはできない。
ナトリウム-リチウム電池がリチウム・イオン電池に取って代わる可能性：7つの方向からの議論
第一：ナトリウム･イオンの絶対的な利点はコストである。負極の原材料の観点から、最近の炭酸リチウムの価格は570,000米ドル/トンであるが、炭酸ナトリウムの価格は3,000米ドル/トン未満である。これは違いのせかいだけではない。さらに、ナトリウム塩は導電性が優れているため、電解質の濃度を下げることができ、コストも削減できる。また、このタイプの電池には金属塩が含まれており、リチウム・イオン電池のアノードはアルミニウム、カソードは銅である。集電体は活物質を接続して電流を集めるために使用されるが、なぜリチウム・イオン電池の正極に銅を使用するのか？リチウム・イオンは銅と反応して合金を形成するが、ナトリウム･イオンは形成しないため、ナトリウム･イオン電池の正極と負極の両方にアルミニウムを使用でき、コストをさらに下げることができる。ナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池と同じ性能を達成できれば、電気自動車の価格は約50％引き下げられるはずである。このようにリチウム資源はもはや独占して価格を上げる機会はない。
第二：ナトリウム-リチウム電池は、単に基本的なリチウム・イオンに取って代わるものではない。カソードとアノードの材料には比較的大きな変化がある。負極材料に関しては、リチウム・イオン電池の負極材料と同様の3つのタイプがある。
タイプＩは層状遷移金属酸化物であり、ニッケル－コバルト・リチウム・マンガン酸化物などのリチウム・イオン電池のいわゆる単元、二元、三元リチウム化合物に似ている。使用される遷移元素には、マンガン、ニッケル、クロム、鉄、チタン、バナジウムなどが含まれる。しかし、それはコバルト酸リチウムと同じではない。単層金属酸化物ナトリウムである単層ナトリウム･イオンは安定していない。安定した構造を形成するには、他の金属をドープする必要がある。現在、イギリスの企業は、エネルギー密度が160 Wh/kgのアノード材料としてMn-Ni-Ti-Mg第四級層構造を使用している。中国企業はCU-Fe-Mnの3成分溶液を採用しており、エネルギー密度は135 Wh/kgに達する可能性がある。
タイプIIアノード材料は、遷移金属ヘキサシアノ鉄酸塩であるプルシアン・ホワイト化合物である。結晶構造は比較的開いており、ナトリウム･イオンの挿入と抽出により助長するが、いくつかの副作用のためにその安定性とサイクル性能を改善する必要がある。CALTは高塩分濃度センサー材料に多大な努力を払っており、新開発材料の電池エネルギー密度はテスト後に160 Wh/kgに達した。
タイプIIIはアニオン性化合物NaXMy[(XOm)n-]zであり、Mは鉄、バナジウムなどの可変原子価の金属イオンであり、Xは蛍光体や硫黄などの元素である。この材料は3次元ネットワーク構造
高い動作電圧、および良好なサイクル性能を示すが、エネルギー密度は比較的低くなっている。
上記の3つのカソード材料には長所と短所があり、全てのメーカーがそれらを研究している。最終的にどちらが主流になるかはまだ不明である。
第三：正極材料に関しては、リチウム・イオン電池の正極材料はグラファイトであり、ナトリウム･イオンはサイズが大きいためグラファイトに埋め込むことができない。グラファイトを使用する場合は、グラファイトの層間距離を大きくする必要がある。これにより、製造コストが増加し、カソードの構造安定性が低下する。重要な点は、この技術の実現可能性が限られていることである。現在、ナトリウム･イオンに最適なカソード材料はアモルファス炭素であると考えられている。炭素の異性体であり、炭素成分は同じであるが構造が異なる。アモルファス炭素には、硬質炭素(炭素材料を黒鉛化しにくい)と軟質炭素(炭素材料に黒鉛化しやすい)の2種類がある。硬質炭素は最良のカソード材料として認識されており、ナトリウム･イオン電池の単位エネルギー密度は薬450～375 mAh/gと比較的高く、リチウム・イオン電池のグラファイトのエネルギー密度(１００ｍAh/g)に匹敵する性能である。しかし、その価格は約100,000～200,000/t米ドルと非常に高い。これは、ナトリウム･イオン電池が普及する際のコスト最適化のポイントである。
第四：ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の電解質は似ている。どちらも炭酸エステルの有機溶液を使用しているが、電解質は異なる。ナトリウム･イオン電池はヘキサフルオロリン酸リチウムを使用するリチウム・イオン電池と同様に、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムを使用できる。しかし、いくつかの技術的および環境問題のために、業界は電解質の非フッ素化を促進しており、ナトリウム･イオン電池は低コストの過塩素酸ナトリウムを使用できる。
過塩素酸ナトリウムはナトリウム-リチウム・イオン電池の標準塩とも見なされており、非常に安価であり、大規模なエネルギー貯蔵用途に非常に適している。しかし、過塩素酸塩は強力な酸化剤であるため、有機物に溶解すると強い化学反応が発生するため、過塩素酸ナトリウムも過塩素酸リチウムも電解質の最初の選択肢にはならなかった。
第五：ナトリウム･イオン電池の性能に関しては、過放電の問題がなく、理論的にはゼロボルトまで放電できる。リチウム・イオン電池は完全に放電することはできない。リチウム・イオンが完全に抽出されると、カソード炭素の層間構造が崩壊し、リチウム・イオンの二次挿入に影響を与える可能性がある。その上、ナトリウム･イオン電池の低温性能はリチウム・イオン電池のそれよりはるかに優れている。－90℃でも20％以上の電源維持率を維持し、－70℃でも40％以上の維持率を維持している。冬には、電気自動車が巡航できないという問題は見られなくなる。
第六：前述のように、ナトリウム-リチウム・イオン電池の導電率は高く、ナトリウム･イオンの拡散能力も強く、Cレートが優れていることを意味する。ナトリウム･イオン電池は少なくとも3Cの充放電率を備えているため、ナトリウム･イオン電池を使用すると、電池の出力が強くなり、充電速度が速くなる。しかし、エネルギー密度は重要な要素である。コストは低いが、エネルギー密度も低くなる。したがって、同じ巡航速度を達成するためには、さらにいくつかのモジュールを追加する必要があるかもしれない。高齢者は理解し易い。アノードとカソードの材料特性を分析する必要はない。理解するためには、周期表上のナトリウム元素自体のデータを見るだけで済む。ナトリウムは原子量が22.9 g/molの11番目の元素であり、酸化還元反応で1つの電荷しか運べないのに対して、リチウム元素は6.9 g/molの電荷を運ぶことができるが、これは支配的ではない。実際の製品を見ると、ナトリウム･イオン電池の現在のエネルギー密度は一般的に約100～150 Wh/kgであるが、リチウム・イオン電池のそれは120～180 Wh/kgである。それらの間にはまだギャップがあり、このギャップを一致させることは依然として困難である。しかし、負極材料の開発に伴い、ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度は増加し続けるであろう。リン酸鉄リチウム電池と同じレベルを達成できれば、電気自動車を独立して運転する資格があると思う。
第七：一部のメーカーの将来の戦略は、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池を統合してハイブリッド電池を形成し、リチウム・イオン電池のコストを間接的に削減することである。したがって、ナトリウム･イオン電池を完全に使用して車両を運転することについてはまだ心配する必要がある。次に、安全性能を考慮すると、ナトリウム･イオン電池の内部抵抗は比較的高い。短絡に遭遇した場合、瞬間的な発熱はリチウム・イオンよりも小さく、温度上昇が遅いため、比較的安全である。さらに、イオン電池の重要な安全性考慮事項であるリチウム・デンドライトは、ナトリウム･イオンによってデンドライトが生成される確率が比較的低いため、ナトリウム･イオン電池では比較的重要ではなく、安全性をさらに高めことができる。しかし、陰極で金属ナトリウム元素が減少して水に遭遇すると、火災や爆発の原因にもなる。一言で言えば、それは比較的安全である。
サイクル性能はまだ分からない。現在の比較的成熟した製品から判断すると、ナトリウム･イオン電池のサイクル寿命はリチウム・イオン電池のサイクル寿命よりも短く、技術的安定性に大きく関係している。しかし、サイクル寿命を4,000倍以上にすることができる対応に対する技術的解決策もあるが、これらは商品化されていない一部の解決策にすぎない。
一般的に言って、ナトリウム-リチウム電池のアノード、カソード材料、および電解質の研究では、克服する必要がある多くの障壁がまだある。もちろん、この難しさは主に、パワー電池の使用に反映されている。大規模なエネルギー貯蔵の場合、コストの考慮事項が優先される。現時点では、競合他社はリチウム・イオン電池ではなく鉛蓄電池である。
結論：パフォーマンスが優先される
私の結論は比較的悲観的である。ナトリウム･イオン電池は電気自動車だけでリチウム・イオン電池に取って代わったり、鉛蓄電池に代わる貯蔵施設で置き換えたりできるとは思わない。せいぜいそれはコストを削減する手段であり、リチウム・イオン電池と組み合わせて使用することで、電池パック全体のコストを削減する必要がある。コストだけでパフォーマンスを諦めることは、馬の前にカートを置くことである。
