ナトリウム電池技術の将来を評価する
Assessing the Future of Sodium-Ion Battery Technologies
By Keith Beers, Sophie Lee, Kathryn Holguin
https://www.exponent.com/ 2024.06.06
より持続可能でコスト効率の高いナトリウム･イオン電池は、大規模および送電網規模のエネルギー貯蔵用途に影響を与える準備ができている。
リチウム・イオン電池は、過去30年間で普及し、個人用電子器機から電気自動車、送電網規模の用途まであらゆるものに電力を供給してきたが、次世代の電池化学の探求は加速している。持続可能性と環境問題、サプライチェーンの不安定性、安全性の懸念に後押されて、企業は固体電池やシリコン・アノード技術などのさまざまな代替品を積極的に模索しており、今後数年間でスマートフォン、eモビリティ・デバイス、電気自動車向けの
製品の発売が予定されている。
ナトリウム･イオン電池は、リチウム・イオン電池市場にとってもう1つの潜在的な破壊的要因であり、今後10年間で固体電池とシリコン・アノード電池の両方を追い越し、世界中で急速に開発が進むことで2032年までに50億ドルに達すると予想されている。中国の電池大手CATLとイギリスの新興企業Faradion(その後Reliance Industriesに買収)は、ナトリウム･イオン電池製品の商業販売をリードする企業であり、Natron Energyが運営するアメリカ初のナトリウム･イオン電池工場は、今夏に送電網規模ナトリウム･イオン電池製品の出荷を開始するようである。
しかし、商品化に向けた競争は進行中の研究開発の取り組みと並行して行なわれており、ナトリウム･イオン電池の性能を精査する必要があることを強調している。リチウム・イオン電池と同様に、ナトリウム・イオン技術は、送電網規模のオペレーターからOEM、テクノロジー企業に至るまで、電池メーカーとエンドユーザーにとって予期せぬ課題に直面する可能性がある。彼等は、安全性、性能、製品/システム統合に関する新たな問題に直面することになる。これらの問題は、ナトリウム･イオン電池が市場に投入されるペースが加速していることでさらに悪化する可能性がある。なぜなら、関係者は、大規模な信頼性を確保するために必要で重要な現実世界の洞察を獲得し始めたばかりであるからだ。
需要増加とより広範で持続可能な供給の両立
市場調査によると、アメリカのデータ・センターの需要は20230年までに年間35 GWに達すると予想されており、これは2022年の需要の2倍である。同様に、送電網規模のエネルギー貯蔵は、同じ期間に400 GWを超えると予想されており、これは2023年の設置量の10倍に相当する。これら2つの用途の需要増加に対応するだけでも、長期的に見てより持続可能でコスト効率の高い電池化学が必要になる。
地球上で6番目に豊富な元素であるナトリウムは、リチウムの約1,000倍も豊富で、はるかに入手しやすい代替品である。ナトリウム･イオン電池は主に、ナトリウム、アルミニウム、その他の材料の混合物で構成されており、大規模に使用した場合、リン酸鉄リチウム電池と比較して材料コストが推定25～30％削減される可能性がある。リン酸鉄リチウム電池は、公益事業規模の用途で最も一般的に使用され、電気自動車でもますます使用されるタイプのリチウム・イオン電池で、リチウムだけでなくコバルトとニッケルも必要である。リチウムの貯蔵量は21世紀末までに枯渇する可能性があり、ナトリウム･イオン電池セルの価格はリチウム・イオン電池の3分の1と推定されていることを考えると、ナトリウム･イオン電池は、電池メーカーが直面しているいくつかの断続的な課題に対する魅力的な解決策となる。
ナトリウム･イオン電池は、確かに世界規模での調達を必要とする材料を必要とするが、電池製造の集中度を世界的に変化させ、これまで複雑なサプライチェーンに依存していた国々が新たな量の電池を生産できるようにする可能性もある。アメリカは世界の天然ソーダ灰(別名炭酸ナトリウム、ナトリウムの主な工業用供給源)の大部分を保有しており、北米でのナトリウム・イオン技術の開発と製造をさらに加速させる可能性がある。
現在の限界と成長およびイノベーションの機会
コストとリソースの利点に加えて、ナトリウム･イオン電池は、高い熱安定性と潜在的な低可燃性も魅力的である。これらの重要な特性により、リチウム電池に比べて動作温度が高く、電圧が低くなるため、安全上の利点が大きくなる。
ナトリウム・イオン技術の主な欠点は、エネルギー密度が低いことである。現在の平均重量エネルギー密度は150 Wh/kgと推定されているが、これはリチウム・イオンの平均265 Wh/kgと比較して低い値である。しかし、近い将来、ナトリウム･イオンは200 Wh/kgの上限を突破すると予測されている。また、ナトリウム･イオンはリチウム・イオンよりも大きく重いため、同じ量の電荷を蓄えるのにより多くのスペースと材料を必要とし、その結果、電池の単位質量または体積当たりのエネルギー量は比較的限られている。これにより、小型で安価で航続距離が限られている電気自動車フリートや、電池供給の電力需要がほぼ一定で、コミュニティの近くや大きな建物内での熱暴走の影響が軽減されるデータ・センターや送電網規模の用途に、安全性とパフォーマンスのメリットがもたらされる。対照的に高電圧を必要とする洗練された軽量の電子機器や長距離運転用途向けのナトリウム・イオン技術は、さらに遠いかもしれない。
これらの制限を越えて、特に大規模に拡張するには、ナトリウム･イオン電池の導電性と電気化学的安定性を向上させることが研究開発の重要な焦点であり、また、カソードの選択とアノード材料の組成を実験してセル容量と最終的にはエネルギー密度を高めることも重要である。
層状酸化物、ポリアニオン化合物、プルシアン・ブルー類似体などのカソード材料と、硬質炭素を含むアノード、またはスズ、アンチモン、二金属合金、またはビスマス・ベースの遷移金属カルコゲドを含むアノードにより、ナトリウム･イオンのエネルギー密度と電気化学的性能を向上させるためのさまざまな潜在的な解決策が生み出されているが、それぞれに欠点や課題が伴う。例えば、プルシアン・ブルー類似体は熱暴走の結果として高温(200℃以上)で有毒ガスを放出する可能性がある。一方、層状酸化物カソードは、ポリアニオンおよびシアン酸塩ベースのカソードと同じ熱安定性の改善の恩恵を受けない可能性があり、一部のナトリウム･イオン・セルでは、依然としてリチウム・イオン電池に使用されているものと同様の可燃性の有機電解質が使用されている。
製品設計者にとって、特定の材料の使用のリスク、製品のエネルギー要件、故障モード、予測可能な使用および誤用シナリオに対する構成化学機会を慎重に評価することは、安全性に対処する上で重要である。また、セルおよびパックレベルの厳格なテストを実行し、電極材料の適切な組み合わせを選択することも重要である。これらの選択は、特定の用途と意図された使用ケースを考慮して行なうのが最適である。リチウム・イオン電池の設計および製造の原則は、ナトリウム･イオン電池には関係ない場合がある。例えば、アルミニウム電流コレクターは、コスト削減のためだけではなく、低電圧での電気化学的安定性のためにも、ナトリウム負極に使用する必要がある。
電池のライフサイクル全体にわたるパフォーマンスを理解することも重要である。加速熱量測定、分数熱暴走熱量測定、X線コンピューター断層撮影などの高度な分析技術は、ナトリウム･イオンの故障モード、熱暴走シナリオ、およびカソードとアノードの電気化学の変動によって生じるリスクの評価をサポートする。
ナトリウム･イオンの需要、開発、最適化の将来に備える
革新的でコスト効率が高く、より持続可能なナトリウム・イオン電池技術ような解決策が勢いを増しており、メーター、公益事業会社、OEM、そして将来的には電子機器会社に将来の電池需要を満たすための新たな機会を提供している。特に、家庭、コミュニティ、重要な通信およびデータ貯蔵システムに電力を供給する最大規模の電池の役割を果たす機会である。
しかし、どのような技術の導入にもリスクはつきものである。過去30年間のリチウム・イオン電池開発で得られた教訓を熟考することで、関係者はナトリウム･イオン電池の予期せぬ課題に先手を打つことができる。現在進行中の電極研究と製品統合は、厳格な品質、リスク、安全性評価の恩恵を受け、実際の用途で信頼性の高い電池性能を確保するのに役立つ。
重要なのは、ナトリウムの使用はリチウムよりも環境面で大きなメリットがあるものの、ナトリウム･イオン電池で使用される多くの材料の完全なサプライチェーンはまだ初期段階にあるということである。メーターと製品開発者は、品質と信頼性を確保するために、コンポーネントの統合、調達オプション、サプライチェーンの脆弱性を慎重に評価する必要がある。同様に、ナトリウム･イオン電池の製造、輸送、保管に固有のリスクを定義し、市販後の監視と反復的な改善のプロセスを実装することは、広範な商業化への道を歩み続けるために必要である。
