資源効率が高く気候に優しいナトリウム･イオン電池
Resource-Efficient and Climate Friendly with Sodium-Ion Batteries
By Eurasia Review
https://www.eurasiareview.com/ 2023.12.14
化石燃料のない社会への移行により、電池の必要性が急速に高まっている。同時に、この増加は、最も一般的な種類の電池の主要成分である金属リチウムとコバルトの不足を意味する。選択肢の1つはナトリウム･イオン電池で、食塩と林業からのバイオマスが主原料となる。今回、スエーデンのチャルマーズ工科大学の研究者達は、これらのナトリウム･イオン電池が、原料が枯渇するリスクなしに、対応するリチウム・イオン電池と同等の気候影響をもたらすことを示した。
従来の電池に使用する材料は、再生可能エネルギーや化石燃料を使わない自動車フリートへの切り替えを可能にするために重要になる。」とチャルマーズ工科大学の環境システム分析准教授のRichard Arvidssonは述べている。
欧州委員会の重要原材料法によると、EU諸国が再生可能エネルギー・システムや電気自動車に移行するにつれて、重要な電池原材料の需要が急激に増加すると予想される。グリーン移行には、電池やその他の化石を含まない新しい技術の現地生産の拡大も必要であり、需要を満たすためには原材料の安定した供給が必要である。同時に、このような生産には、原材料の供給源の数が限られているため、供給中断の高いリスクが伴う。
「リチウム・イオン電池は世界で主流の技術になりつつあり、特に輸送に関しては化石ベースの技術よりも気候に良い。しかし、リチウムがボトルネックとなっている。電気自動車の生産と同じ速度でリチウム・ベースの電池を生産することはできず長期的には埋蔵量が枯渇するリスクがある。」とRichard Arvidssonは言う。これに加えて、リチウムやコバルトなどの重要な電池材料は、そのほとんどが世界のわずか数カ所で採掘されており、供給にリスクをもたらす。
ナトリウム･イオン電池は有望な技術を提供する
新しい電池技術の開発は、次世代の持続可能なエネルギー貯蔵を目指して急速に進んでいる。その貯蔵には、寿命が長く、エネルギー密度が高く、製造が容易であることが望ましい。チャルマーズの研究チームは、リチウムの代わりにナトリウム(一般的な塩化ナトリウムに含まれる非常に一般的な物質)を含む鉛蓄電池に注目することにした。新しい研究では、電池のいわゆるライフサイクル評価を実施し、原材料の抽出と製造中に環境と資源に与える全体的な影響を調べた。
「鉱物資源不足への影響と言う点ではナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池よりも優れており、気候への影響と言う点では同等であるという結論に達した。どのシナリオを検討するかにもよるが、理論上の蓄電容量はキロワット時あたりの二酸化炭素換算量が60 kgから100 kg強になる。これは、このタイプのナトリウム･イオン電池について以前に報告されているものよりも低い値である。これは明らかに有望な技術である。」とRichard Arvidssonは言う。
研究者達はまた、電池の総影響の大部分を占める環境に優しい電解質の開発など、気候への影響をさらに軽減できる可能性のある多くの対策も特定した。
グリーン・エネルギーにはエネルギー貯蔵が必要
現在のナトリウム･イオン電池は、すでに電力網における定置型エネルギー貯蔵に使用されることが期待されており、継続的な開発により、将来的には電気自動車にも使用される可能性がある。
「エネルギー貯蔵は風力発電と太陽光発電の拡大の前提条件である。保管が主に電池で行なわれることを考えると、問題はその電池が何から作られるのかと言うことである。リチウムとコバルトの需要の増加がこの開発の障害となる可能性がある。」とRichard Arvidssonは言う。
この技術の主な利点は、ナトリウム･イオン電池の材料が豊富で世界中で入手できることである。電池の一方の電極(陽極)には電荷担体としてナトリウム･イオンがあり、もう一方の電極(陰極)には硬質炭素が含まれている。チャルマーズの研究者達が調査した例の1つでは、硬質炭素は林業のバイオマスから生産されている。生産プロセスと地政学の観点から見ると、ナトリウム･イオン電池は、化石燃料のない社会への移行を加速できる代替手段もある。
「豊富な原材料をベースにした電池は、電池メーカーと国の両方にとって、地政学的リスクと特定地域への依存を軽減できる可能性がある。」とRichard Arvidssonは言う。
研究についてさらに詳しく
この研究は、2つの異なるナトリウム･イオン電池セルの前向きライフサイクル評価であり、環境と資源への影響がゆりかごからゲートまで、つまり原材料の抽出から電池セルの製造まで計算される。研究の機能単位は、セルレベルでの理論上の蓄電容量1 kWhである。どちらのタイプの電池セルも主に豊富な原材料に基づいている。陰極は生物由来のリグニンまたは化石原料からの硬質炭素で構成され、陽極はいわゆる「プルシアン・ホワイト」(ナトリウム、鉄、炭素、窒素で構成される)で構成されている。電解液にはナトリウム塩が含まれている。製造は、将来の大規模製造に対応するようにモデル化されている。例えば、電池セルの実際の製造は、今日のギガファクトリーでのリチウム・イオン電池の大規模製造に基づいている。
2つの異なる電力構成と、2つの異なるタイプのいわゆる割り当て方法、つまり資源と排泄量の割り当てがテストされた。気候と資源への影響を質量に基づいて副製品間で配分する方法と、すべての影響を主製品(ナトリウム･イオン電池とその部品および材料)に配分する方法である。
