リチウムに優るナトリウム：リチウム・イオン電池に対する低コスト代替品
Sodium Over Lithium: The Low-Cost Alternative to Li-Ion Batteries
By Nora Manthey
https://www.electrive.com/ 2021.08.23
CALTは2023年に生産を開始する計画とともにナトリウム･イオン電池を発表した。リチウムに置き換えることの長所と短所は何か？Christoph M. SchwarzerはP3 Automotiveの電池専門家達とZSWのMarkus Hölzle教授に話を聞いて、この技術を評価した。可能性は巨大である！
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現代のAmperex Technology Ltd. (CALT)は独自の読みによると、ナトリウム･イオン電池の基本的な生産を確立することで、「ブレークスルー」を達成した。そして確かに子の主要な化学グループの次の元素によるアルカリ金属リチウムの置き換えは、さらに明確なコスト削減の機会となるだろう。そのため、我々の寄稿者はP3 Automotiveの電池の専門家とZSW(太陽エネルギーおよびBaden-Württemberg)のMarkus Hölzle教授にナトリウム･イオン電池の現実的な評価を依頼した。
CALT自体がプレゼンテーションで具体的になる。中国の会社が実際のセルと電池システムを示している。ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池を混合して第1世代の弱点を補う。例えば、CALTは160 Wh/kgという比較的低い重量エネルギー密度を主張している。次世代は200 Wh/kgを超えると予想されている。CALTはまだ何時かを言っていない。
硬質炭素陰極
「CALT開発者はナトリウム･イオン電池の既知の問題を解決することに成功したに違いない。これは原則として新しいものではない。」とMarkus Hölzleは説明する。電池化学の博士号を取得し、BASFで長く国際的に働いた後、ZSWに入社したHölzleは次のように続けている。「例えば、最初の充電で容量の20％が失われた。」とHölzleは言う。CALTは不可逆的な損失と急速充電能力の観点から、陰極側のアモルファス炭素、いわゆる硬質炭素を大幅に改善できたと考えられる。したがって、ここでは材料研究が成功していると考えられる。
「陰極側では、無毒の染料であるプルシアン・ブルーがナトリウム･イオンと完全に混合された状態で使用されている。」とHölzle教授はさらに説明する。利点：「低コストの原材料が全体に使用される。」リチウムだけでなく、ニッケルやコバルトなどの一般的な陰極材料も排除される。エネルギー密度が低いなどの欠点はあるが、自動車業界は常にコストとメリットの交換条件に細心の注意を払っているため、Hölzleは全てのクラスの車両でナトリウム･イオン電池を想像できる。しかし、エネルギー密度がこれらの用途で果たす役割は極わずかであるため、さらに興味深く、時間的に近いのは太陽光発電の電力貯蔵などのである。低コストのナトリウム･イオン電池を使用すれば、大容量の電池貯蔵システムを許容可能な価格で実現できる。
彼の結論は次の通りである。「CALTは実際にシリーズ生産に入ると思う。同社は中国の市場リーダーであり、電池の世界チャンピオンになるという明確な目標を持っている。この目的のために、数百人の科学者達が中国の寧徳にある本社にあるグループ独自の研究部門で働いている。CALTの規模と評判を考えるｔ、ここで誇張されている可能性は低い。」とMarkus Hölzle教授は述べている｡
低コストのリン酸鉄リチウム電池との競争
利用可能なすべての電池を真にベンチマークするコンサルティング会社P3はZSWの見解を広く確認している。P3はナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の3つの利点を挙げている。これらは、充電および放電性能の点でより強力であるため、車両電池、小型車、高電力配電網用の定置型貯蔵など、高電力要件のある用途に利点を提供する。しかし、P3によると、電気自動車にはまだ十分に適合していない。それらは一流の低温性能を持っている。そして、それらの寿命と熱安定性、すなわち安全性は非常に高い。「しかし、エネルギー密度はNCM陰極を備えた現在のリチウム・イオン電池に匹敵しないため、コアとなる競争力のある技術者はリン酸鉄リチウム電池である。」とコンサルタント会社は結論付けている。
これには簡単な説明が必要である。幾つかの例外を除いて、ニッケル、コバルト、マンガンの陰極を備えたリチウム・イオン電池は、電池式電気自動車で使用されていた。陰極での混合比は恒久的に変化しているが、基本的な構造は似ている。テスラはリン酸鉄リチウム電池を搭載したモデル3SR+を1年間弱販売してきた。この電池化学は非常に堅牢で、システム内でのタイトなパッケージングを可能にし、非常に高いサイクル安定性を備えている。
コバルトとニッケルを省くことができるので、価格が下がる。一方、エネルギー密度が低いために範囲が短くなるなどの欠点がある。これが、モデル3が長距離ではなく標準範囲プラスである理由である。また、寒冷条件での性能が低下する。それにもかかわらず、テスラは早ければ年末に第2世代のリン酸鉄リチウム電池を配備すると噂されている。冬はどのような改善が行われたかを示す。
これまでの所、産業規模の用途はない
ナトリウム･イオン電池のP3の評価に戻ると、これまでの所、成熟度は低いと彼は言った。地味な外観は大規模な産業規模での用途がないことを示しているからである。「イギリスのFaradion、スエーデンのAltris、またはフランスのTiamat考えられる。のかなりの数の新興企業が、この技術を商品化しようとしている。」とP3は述べている｡まだ成功した物はない。
成功した場合、リン酸鉄リチウム電池と比較してコスト面での利点は10～20％になる可能性がある。「ナトリウムの利用可能性が大幅に高くなり、その抽出がより簡単で環境に優しくなり、陰極材料からコバルトとニッケルが除去されるため、電池コストを大幅に削減できる。」P3は自動車への応用も可能であると考えられているが、当面は定置型保管の傾向にある。
既存の生産プロセスを活用
それにもかかわらず、大量生産された電気自動車での使用の現実は、全固体電池のそれよりも早く来る可能性がある：大規模な工業化に対応する成熟度は、例えば、全固体よりも早く到達すると推定される。これは、ドロップイン技術(リチウムと同じ製塩技術および類似の材料の組み合わせ)によるものである。拡大性は比較的高いと分類できる。
ZSWもP3も現在価格を確約していない。しかし、楽観主義者達はkWh当たり30ドルのコストを想定している。CALTは2023年以降の期間にナトリウム･イオン電池を生産する可能性が非常に高い。同時に、リン酸鉄リチウム電池を搭載した電気自動車がドイツでより多く市場に投入される予定である。例えば、フォルクスワーゲンはエントリー・レベルのID.1とID.2モデルにこれをすでに指定している。そのため、性能が向上し、コストがさらに低くなると同時に、環境に優しいナトリウム･イオン電池は10年の後半にリン酸鉄リチウム電池の競争相手になる可能性がある。電池の場合と同時に、陶酔感の原因はない。しかし、自信を持って取り組む理由がある。現時点では、コスト削減は電気自動車の世界的な立ち上げの最も重要な側面である。
