ナトリウム･イオン電池、商品化の準備完了：電力網、
家庭用、さらには小型電気自動車用
Sodium-Ion Batteries Ready for Commercailisation : for Grid, Homes,
Even Compact EVs
By Carlos Ruiz, Martina Lyons, Isaac Elizondo Garcia and Zhaoyu Wu
https://energypost.eu/ 2023.09.11
標準的なリチウム・イオンよりもはるかに豊富で安価な代替品であるナトリウム･イオン電池は、商業化の瀬戸際にあるとIRENAのCarlos Ruiz、Martina Lyons、Isaac Elizondo Garcia、Zhaoyu Wuは説明する。世界には世界的な電荷目標をサポートするのに十分なリチウムが存在するが、需要とサプライチェーンの制約が厳しくなっているため、代替品の緊急の必要性が指摘されている。ナトリウム･イオン電池セルのコストは、リチウム・イオン電池の平均コストが120 ドル/kWhであるのに対し、およそ40～80ドル/kWhであると予想される。ナトリウム･イオン電池は安全性(動作温度範囲、安定性)が高く、充電時間が短縮され、サイクル寿命が長くなる。エネルギー密度が低いため、かさばり、重くなる。しかし、160 Wh/kg(これは改善されるはず)であれば、市街地走行可能な電気自動車としてはまだ不十分であり、中国のメーカーはすでに航続距離250 kmのNaイオン小型電気自動車を発表している。生産能力は、2023年の42 GWh/年から2030年までに186 GWh/年に増加すると予測されており、これは年間製造される460万台の電気自動車に電力を供給するのに十分な量である。また、固定式送電網や家庭用保管庫の場合、サイズは問題にならない。これはNaイオンだけの物語ではなく、主流の答えに代わるものを革新し、サプライチェーンの多様性と手頃な価格を確保するための世界的なエネルギー転換の重要性についての物語でもある、と著者らは言う。
再生可能エネルギーを中核として、ネットゼロに向けた世界的なエネルギー移行には、エネルギーの生産と消費の両方における変化が必要となる。IRENAの世界エネルギー転換見通しによると、これらの変化の1つは、最終的にはエネルギー最終用途部門(建物、運輸、産業を含む)の電化(直接的および間接的)であり、その結果、世界の電力需要は2050年までに3倍になると予想されている。
移行を成功させるには貯蔵が必要
これらの前提条件の下では、移行を成功させるための蓄電の重要性はどれだけ強調してもしすぎることはない。IRENAの1.5℃シナリオでは、電力システムに大幅な柔軟性をもたらす蓄電池の必要性が示されており、その量は2030年までにほぼ360 GW、2050年までに4,100 GWに達する。しかし、電力部門を超えて、蓄電池は脱炭素化において重要な役割を果たすことになる。例えば、電気自動車の重要なコンポーネントとして、最終用途部門の需要が増加し、2050年までに道路交通の90％を占める見込みである。
リチウム・イオン電池の問題
リチウム・イオン電池は、その高いエネルギー密度と多用途性により現代のエネルギー貯蔵解決策の最前線にあるが、リチウム・イオン電池の需要の高まりにより持続可能性、資源の入手可能性、地政学的な考慮事項、潜在的なサプライチェーンのボトルネックに関する懸念が生じている。誤解のないように言っておくが、世界にはリチウムを含め、エネルギー転換を維持するのに十分なほどの材料がある。しかし、主な懸念は、電池のサプライチェーンが増え続ける電気自動車需要のベースに追いつくのに苦労していることと、これらの逼迫によって引き起こされる炭酸リチウム価格の高騰にある。こうした懸念は、極めて必要な蓄電解決策を持続的に最適化するための代替案や方法を模索する必要があることを示している。繰り返しになるが、イノベーションが移行を加速する触媒となる可能性がある。この場合、蓄電池技術向けのさまざまな新しい化学物質が使用される。
ナトリウム･イオン電池
ここで、ナトリウム･イオン電池が登場する。ナトリウム･イオン電池は、設計と構造がリチウム・イオン電池に似ているが、リチウムではなくナトリウム化合物に依存している。ナトリウムはリチウムよりも約1,000倍豊富に存在するため、この技術は実行可能な電池化学のポートフォリオを拡大し、リチウムの採掘と加工の圧迫を緩和することによって、リチウム・ベースの同等品に影響を与える短期的な供給の懸念と、これに伴うコストの変動を潜在的に緩和できる可能性があることを意味している。
ナトリウム･イオン電池の製造は、主にナトリウム前駆体としてのソーダ灰に依存している。ソーダ灰はリチウムよりもはるかに豊富で抽出と精製がより持続可能な化合物であるため、コストが安くなり、資源入手性の懸念や価格変動の影響を受けにくくなる。アメリカだけでも約470億トンのソーダ灰資源と230億トンを超えるソーダ灰埋蔵量が確認されている。ソーダ灰はソルベー法によって塩と石灰石から合成的に製造することもできる(そしてすでに製造されている)。これにより、事実上世界中でソーダ灰が製造される可能性が開かれている。
長所と短所
ナトリウム･イオン電池には既存のリチウム・イオン電池に比べて有望な利点があり、特定の用途に使用できる重要な特性がいくつかある。主な利点の1つはコストである。ナトリウム･イオン電池のコストは、リチウム・イオン電池のコストよりも大幅に安いと予想される。これはリチウム・イオン電池の平均120 USD/kWhと比較して、ナトリウム･イオン電池の場合は約40～80 USD/kWhである。
ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較して持続可能性の点でも利点がある豊富なナトリウムにより、より多様な調達への扉が開かれる。同時に、一部の構成では、銅(集電体がアルミニウムである場合)、ニッケル、コバルトなどの重要な材料の必要性を削減できる可能性がある。ファラディオン社が」開発したような積層型金属酸化物ナトリウム･イオン電池(最も主流のタイプ)はニッケルとコバルトを使用するが、一部のプルシアン・ホワイト・タイプと一部のポリアニオン・タイプはこれらの材料を使用しない。
安全性の点では、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも動作温度範囲が広く、アノードと電解質の混合物がより安定しており、完全に放電した状態で安全に輸送できる可能性があるため、有望な結果が示されている。性能の点では、ナトリウム･イオン電池は氷点下の温度でも優れた容量保持力を持ち、充電時間も短く(15分で充電率80％)、サイクル寿命もリチウム電池よりも長い(4,000～5,000サイクル後でも80％の容量保持)。
これらの電池の主な制限の1つはエネルギー密度である。エネルギー密度が低いと電池が大きくなり、重くなる。一部の電池メーカーの最新の発表では、これらの電池のエネルギー密度が160 Wh/kgであると述べており、次のマイルストーンとして200 Wh/kgについても言及している。これらの数値は一部のローエンドのリチウム・イオン電池に匹敵するが、他の市販のリチウム・イオン化学物質に比べればまだ劣っている。テスラ電池は250 Wh/kgの範囲にある。
用途
これらの特性により、ナトリウム･イオン電池は多くの用途での使用に適している。最も有望な者の1つは固定蓄電池である。変動型再生可能エネルギーの統合が急速に加速しているため、電力会社規模だけでなく、メーターの裏側(家庭または企業内)でも、安価なエネルギー貯蔵の緊急の必要性が生じている。ナトリウム･イオン電池の低コスト、長寿命、安全性、および性能特性は、定置用途ではサイズと重量が大きい懸念事項はないという事実と相まって、リチウム・イオン電池と競争力を高める可能性がある。さらに、これらの電池は電気自動車にも使用できる可能性がある。現在のエネルギー密度が160 Wh/kg出あることを考えると、短距離電気自転車では特にそうである。実際、これはすでに起こり始めており、多くの中国の電池メーカーや自動車メーカーが航続距離250 kmのナトリウム･イオン電池を搭載した小型電気自動車を多数発表している。
これらの数字は現在市販されている小型電気自動車と同程度である。小さいように思えるかもしれないが、今後も増加すると予想されており、都市部の通勤や短期旅行には十分である。例えば、ドイツでは都市部での１日の平均移動距離は約19 kmである。これは、都市部では1回の充電で10日間以上使用できることを意味している。これらの電池の低コストも考慮すると、電気自動車市場に破壊的な影響を与える可能性がある。
中国主導で間もなく商業化
ナトリウム･イオン電池への関心は高まり続けており、この技術がブレイクアウトの瞬間に非常に近づいていると言う印象を与えている。これは、発表されたプロジェクトの膨大な数と、ナトリウム･イオン電気自動車を展開し、早ければ2023年までにナトリウム･イオン電池の商業生産に到達するという一部のメーカーによる非常に野心的な計画を見ると特に明らかである。これらには、CALT、Chery、BYD、JAC/HiNa、Faradion、Natron、PNNLなどからの発表が含まれる(送電網蓄電池プロジェクトに関するものを含む)。
ナトリウム･イオン電池は主に中国ですでにいくつかの企業によって開発されており、生産能力は2023年の42 GWh/年から2030年までに186 GWh/年に増加すると予想されている(IRENA、近日発表)。この容量は年間製造される460万台の電気自動車に電力を供給するのに十分である(車両1台当りの容量が40 kWhと仮定)。
展望
特定の用途では、ナトリウム･イオン電池はNMC(ニッケル・マンガン・コバルト)やLFP(リン酸鉄リチウム)などの既存の鉛酸リチウム・イオン電池と競合する可能性がある。しかし、これを達成するには、構造と材料の改善、サプライチェーンの確立、規模の経済の達成、本質的に機械的でコスト効率の高い解決策であることの証明など、克服しなければならない課題が数多くある。
発表された内容を考慮すると、今年は来年のこの技術にとって決定的な年となるであろう。しかし、潜在的な成功の有無に関係なく、再生可能エネルギー・ベースのエネルギー移行におけるイノベーションの重要性を強調することが重要である。この場合、その結果、特定の用途でリチウム・ベースの電池を補完し、単一の材料への依存を減らし、材料と技術のより多様な調達への扉を開く。ナトリウム･イオン電池は大きな可能性を示しており、特定の用途にとって優れた代替品となる可能性があり、サプライチェーンのボトルネックを緩和し、エネルギー移行を加速するのに役立つ。研究開発がさらに進めば、カーボン・ニュートラルなエネルギー・システムへの移行において重要な役割を果たす可能性がある。
