ナトリウム･イオン電池技術はリチウム・イオン電池の真の
代替品となりつつある
Sodium-Ion Battery Technology Is Becoming a Real Alternative to Lithium-Ion
By Ruth Sayers
https://www.e-motec.net/ 2022.02.22
リチウム・イオン電池は電気自動車というカテゴリーの車両が始まって以来、市場をリードしてきた。しかし、リチウム・ベースの電池化学は、中長期的には電池産業ではない。価格、安全性、持続可能性、倫理的配慮により、将来の成長が制限される。この記事では、ナトリウム･イオン電池が実際の代替品としてどのように登場し、今後数年間でますます重要になるかを考察する。
価格
電気自動車の人気が高まるにつれ、主要な電池材料、特にコバルトの価格が高騰している。このため自動車メーカーや電池メーカーは、現在の3つの主要技術であるニッケル・コバルト・アルミニウム電池、ニッケル・コバルト・マンガン電池、リン酸鉄リチウム電池の代替品を模索するようになっている。
このような電池の価格が高くなる理由は、リチウム資源のコストの高さと、ニッケル・コバルト・マンガン電池正極に使用されるコバルトのコストの高さという2つの主な理由によるものである。
リチウムは地殻中の希少元素である。コバルトの供給も有限であり、その生産量のほとんどは他の鉱物の生産の副産物として発生する。これは、コバルトの供給と価格が他の元素の需要に大きく依存することを意味しており、これは価格の安定にとって好ましくない。
一方、ナトリウムは地球上で6番目に豊富な元素である。それは蔓延しているだけでなく、抽出も簡単であり、世界のバリューチェーンを支配する国はない。この電池化学の部品表と電池のコストはリン酸鉄リチウム電池より24％低くなる。
安全性
リチウム・イオン電池の輸送の危険性は十分に文書化されており、リチウム・イオン電池は充電率30％未満では放電できないため、カーゴセルはかなりのコストをかけて航空貨物で輸送する必要がある。
しかし、ナトリウム･イオン電池は、コンデンサと同様に、ゼロボルトまで完全に放電できる。この状態では、短絡による熱暴走の可能性はなくなる。PC内のナトリウム･イオン電解質NaPF6は、硬質炭素陰極と組み合わせると、グラファイト陰極を備えたEC-DMC内のリチウム・イオン電解質であるLiPF6よりも摂氏90度高い温度でエネルギーを放出する。
持続可能性
リチウム生産の主な形態は、塩水から(チリなどの南米諸国が主導)、またはオーストラリアが主要な生産国である鉱物から採掘される。コバルト埋蔵量のほとんどは地政学的に敏感なコンゴ民主共和国に位置しており、そこでは児童労働が重大な影響を及ぼしている可能性がある。
さらに、中国は世界のバリューチェーンの多くを支配している。地政学的観点から見ると、経済は中東の石油への依存から中国製電池への依存を脱する可能性がある。
リチウム採掘には、掘削井戸から塩水で汲み出すために大量の地下水も必要である。1トンのリチウムを生産するには約200万リットルの水が必要であるが、これは約90台の車にのみ十分である。気候変動が激化するにつれて、豊富な地下水の供給が非常に重要になる。
ナトリウム･イオンが追いついてくる
ナトリウム･イオン電池に対する研究への関心が本格的に高まったのは、科学界がリチウム埋蔵量の不足がリチウム・イオン電池に固有の致命的な欠陥である認識したのは2011年以来である。2010年まで、このような電池に関する科学論文はわずか115件しかなかった。その後の9年間で、この数は50倍の5,804件に増加し、その後さらに増加した。
ファラディオンはシェフィールドに拠点を置き、ナトリウム･イオン電池の世界的イノベーションの最前線に立っている。当社は現在、カソードとアノードの材料、安全性、パック、およびプロセスを含む30件の特許ファミリーからなる。当社の知的財産の大部分は核心的な状態であり、非常に防御可能である。これにより、この分野の他の大手企業と比較して、当社のポートフォリオは信じられないほど強力になる。
ファラディオンの電池はすでに、150～160 Wh/kgでリン酸鉄リチウム電池と同等の性能を誇っている。100 Ahのパウチセル規模では、今年後半には200 Wh/kgに達すると予測しているが、これは中国の電池メーカーCALTが目標としている数字と同じである。
当社のナトリウム･イオン電池は、低速電気自動車、電動スクーター、または電気人力車や電動自転車の電池として、低コストの電気輸送用の鉛－酸電池の優れたドロップイン代替品であり、同等の価格ではるかに長い航続距離と運搬能力を提供する。
また、マイルド・ハイブリッド電気自動車のスターター点灯点火12 V電池または48 v電池としての可能性もある。これは、ナトリウム･イオンが鉛蓄電池よりもエネルギー密度が高く、広い温度範囲で性能が向上しているためである。
グラファイトの代替品を見つける
グラファイト形態の炭素は、リチウム・イオン電池の負極材料としてうまく機能するが、ナトリウムに対して電気化学的に活性が低くなる。したがって、より注意が必要な領域の1つは、特にナトリウム･イオン電池用の新しいアノード電極材料の開発である。
今年初めに取得した当社の特許では、動物由来の材料(動物の糞便だけでなく、皮膚、骨、毛髪なども含む)から炭素含有出発材料を採取し、それをアノードで使用するための硬質炭素に加工する。
また、当社は今年初めにエネルギー製造会社フィリップス66と技術提携を開始し、ナトリウム･イオン電池用の低コストで高性能の負極材料を開発した。研究開発はオックスフォード、シェフィールド、オクラホマ、ヒューストンで実施される。
CATLがナトリウム･イオン市場に参入
CALTは最近ナトリウム･イオン電池を発表し、2023年に新技術のサプライチェーンを構築する計画だと述べた。同社が市場価値約2000億ドルの中国トップの自動車用電池メーカーであることを考えると、これは電池化学にとってビッグニュースである。これは、特に中国がリチウムの80％以上を輸入に依存していることから、リチウムを超えた技術の背後に勢いがあることを示している。
日産のギガファクトリー発表
今年グラスゴーで開催されるCOP26に向けて、イギリスが気候変動と闘うための革新的な解決策の利用で世界をリードしていると見なされることが重要である。日産の新たな投資は、イギリス自動車産業のネットゼロへの取り組みを強調する役割を果たしている。カソード/アノードの生産、セルの製造および応用への投資は、数千の新たなグリーン雇用の増加やGDPの数十億ドルの増加など、国に多大な経済的利益をもたらす可能性がある。
日産の既存施設は1.9 GWであり、すでにヨーロッパ最大のギガファクトリーとなっている。中国企業エンビジョンの拡張により、新しいサイトには6.5 GWが追加される。
ファラディオンの観点から見ると、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の製造プロセスはすべての機器を含めて同一であるため、ファラディオンの技術が既存のリチウム・イオン製造プロセスで使用される素晴しい機会となる。現在、国や地域がナトリウム･イオン電池の製造を主導するためにナトリウム･イオンのサプライチェーン・クラスターを構築する余地が開かれており、これは1990年代に日本が最初に行い、続いて韓国と中国もリチウム・イオン電池の製造を行った。
ファラデー研究所は最近、イギリスが次世代電池技術で世界的リーダーになる機会の規模を概説した報告書を発表した。
ナトリウム･イオンのロードマップ
Journal of Physicsの最近の論文：エネルギーは、ファラデー研究所、ランカスター大学、ファラディオン、STFCラザフォード・アップルトン研究所、オックスフォード大学、セントアンドリュース大学、シェフィールド大学、ナント大学、ダイヤモンド光源、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンからの入力を説明した。他の人はナトリウム・イオン技術の将来のロードマップをどのように見ているかについて語る。
これらの現行世代の電池が量産に進めば、据え置き型および通信用途においてリン酸鉄リチウム電池(鉛－酸電池に代わる)やニッケル・コバルト・マンガン電池と競合できる可能性があると述べている。
現行世代のナトリウム･イオン電池には、電極とセルの設計の最適化によってエネルギー密度が大幅に向上する可能性がある。リチウム・イオン電池と比較すると、ナトリウム･イオン電池のアノードとカソードは比較的採掘されていないため、第二世代ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度を190 Wh/kg以上にさらに高める大きな可能性がまだある。
言い換えれば、リチウム・イオン電池の化学的性質は毎年微小な改善が行われているが、ナトリウム･イオンにはまだ数年間にわたって密度とサイクル速度を毎年大幅に向上させる滑走路があると言うことである。
テスラのモデル3には、Semiのような用途にニッケル・ベースのセルを節約する目的で、CALT製のリン酸鉄リチウム電池カソードが既に組み込まれている。フォルクスワーゲンはリン酸鉄リチウム電池を利用することでエントリー・モデルの価格を半額にしたいと述べている。リン酸鉄リチウム電池は希少で高価なニッケルやコバルトを使用せず、代わりに豊富で安価な鉄とリン酸塩を使用するため、金属カソード入力の切り替えにより大幅なコスト削減が実現する。
リン酸鉄リチウム電池がこの電池分野に参入すると、リチウムを含まないナトリウム･イオンの重要性もますます高まるであろう。
とは言え、それは二者択一の状況ではない。用途が異なれば、最適な技術も異なる。最近の開発から得られる大きなメッセージは、リチウム・イオンに代わる現実的な選択肢が存在し、電池業界が信じられないほどダイナミックで興味深い分野になっていると言うことである。
