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ナトリウム･イオン電池：安価で持続可能なエネルギー貯蔵

Sodium-Ion Batteries: Inexpensive and Sustainable Energy Storage

By Scott Lilley　　University of St Andrews

https://www.faraday.ac.uk/        2021.05.

　ナトリウム･イオン電池は現在市販されているリチウム・イオン電池に比べてコスト、安全性、持続可能性、性能の面で有望な利点を備えた新しい電池技術である。主な利点は広く入手可能で安価な原材料の使用と、既存のリチウム・イオン電池製造方法に基づく迅速に拡張可能な技術が含まれている。これらの特性により、ナトリウム･イオン電池はカーボン・ニュートラルなエネルギー貯蔵解決策に対する世界的な需要を満たす上で特に重要になる。

はじめに

　断続的で予測不可能な再生可能エネルギーを供給する必要性が高まる中、電力供給部門は安価なエネルギー貯蔵の差し迫った必要性を抱えている。また、メーターの後ろにある(自宅または職場の)エネルギー貯蔵に対する需要も急速に高まっている。ナトリウム･イオン電池は重量や体積だけでなく、生涯の運用コストが最も重要な要素である定置型貯蔵用途にとって魅力的な展望である。性能、特にエネルギー密度の最新の改善は、ナトリウム･イオン電池が商業的拡大の調整を正当化するために必要なレベルに達していることを意味している。

　ナトリウム･イオン電池は既存の鉛蓄電池およびリン酸鉄リチウム電池と競合する可能性が最も高くなる。しかし、これが実現する前に、開発者は次の方法でコストを削減する必要がある。(1) 技術的な性能を向上させる。(2) サプライチェーンを確立する。(3) 規模の経済を達成する。サプライチェーンが未成熟であるため、ナトリウム･イオン電池企業は現在比較的小さなバッチで電池を製造している。対照的に製造者は膨大な数のリチウム・イオン電池を製造しており、規模の経済のコスト面で大きなメリットがある。ナトリウム･イオン電池企業は有意義な材料費の利点を提供するが、性能を向上が必要である。特に強化された電池エネルギー密度とサイクル寿命は、商品化の最前線にあるナトリウム･イオン電池技術の商業的魅力を大幅に向上させる。

　ナトリウム･イオン電池の一般的な動作原理はリチウム・イオン電池と同じであるが、リチウム・イオンの代わりにナトリウム･イオンを使用する。両方の電池は電極間でイオンを移動させ、充電時に陰極に、放電時に陽極にイオンを保存する。これは些細な変更ではない。ナトリウム･イオンはリチウム・イオンよりも大きく、反応性が異なる。課題は新しい機能性材料を発見し、それらの相互作用を最適化して魅力的な電池を製造することである。

ナトリウム･イオン電池の利点

(1)  コストと持続性

 コストと持続可能性ナトリウム･イオン電池は、ナトリウムの豊富さと偏在性が経済的で予測可能な供給を保証するため、リチウム・イオン電池よりも安価になるはずである。ナトリウムは7番目に豊富な元素であり、リチウムの1,200倍もある一般的な元素である。ナトリウム化合物は確立された工程を通して海水と生石灰から合成される。これはナトリウムの不足についての懸念がなく、多くの可能な供給者である可能性が高いことを意味する。将来的には、完全な供給と予測可能な価格が見込まれる。

　ナトリウム･イオン電池には多くのリチウム・イオン電池で必要かつ高価な成分である銅集電装置も必要でない。ナトリウム･イオン電池製造者は、高密度で高価な銅をより軽いアルミニウムに置き換え、コストを削減する。さらに、ナトリウム･イオン電池は高エネルギー密度リチウム・イオン電池で使用され希少で高価な金属であるコバルトを使用しない。世界のコバルト供給の大部分はコンゴ民主共和国からの物であり、規制されていない鉱業が社会問題を引き起こす可能性がある。

　生産と規模の経済が同様のレベルに達すると、ナトリウム･イオン電池の部品表はリン酸鉄リチウム電池、リチウム・イオン電池よりも20～30％低くなる可能性がある。エネルギー貯蔵、電力、および寿命の特性を改善すると、コストがあらに削減される。

　表1に示すように、ナトリウム･イオン電池には鉛蓄電池およびリチウム・イオン電池に関連する安全性、環境、および倫理上の問題はない。例えば、鉛蓄電池はリサイクル率が高いが、鉛が漏れる可能性がある。リチウム、ニッケル、コバルトなど、リチウム・イオン電池の生産に使用される主要な元素も地理的に集中しており、サプライチェーンは長期的にボトルネックや不足を経験する可能性がある。

(2)  安全性

　ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池に比べて安全上の利点があり、安全性重視の用途にとってより魅力的である。具体的には製造者は電池端子を直接接続し、電圧をゼロに保った状態でナトリウム･イオン電池を輸送できる。電池は完全に放電されたままなので、火災のリスクが大幅に減少し、高価な安全対策が浮揚にナトリウム量、輸送コストが削減される。

　対照的に、ほとんどのリチウム・イオン電池の銅集電装置はゼロボルトで溶解し始めるため、製造者は部分的に充電された状態でリチウム・イオン電池を輸送する必要がある。この蓄積されたエネルギーの存在は輸送中の安全上のリスクを生み出す。さらに、製造者がリチウム・イオン電池を注意深く扱わないと、集電体の溶解が発生し、性能低下、内部短絡、さらには火災につながる可能性がある。これらの問題はナトリウム･イオン電池では発生しない。

　ナトリウム･イオン電解質はまた、従来のリチウム・イオン化学物質よりも高い引火点(化学物質が気化して空気と発火性混合物を形成できる最低温度として定義される)を持っている。したがって、ナトリウム･イオン電解質は発火する可能性が低く、火災の危険性をさらに低減する。

(3)  大規模な製造への明確な道筋

　新しい電池技術の商品化に対する重大な障壁は、新しい製造方法を確立してスケールアップする必要があることである。研究者達が実験室で電池を完成させると、大量生産を増やし、単価を下げるために、製造業者は大規模な設備投資を必要とする。サプライチェーンはまた、材料費を削減するために必要な規模を開発して到達するのに時間がかかる場合がある。

　ナトリウム･イオンとリチウム・イオンの活性物質の組成は異なるが、製造工程はほぼ同じで、同様の方法で合成および処理される。したがって、既存のリチウム・イオン電池工場と電池構成を使用してナトリウム･イオン電池を製造できる。実際、一部の製造者は既存の設備を置き換えることなく、この方法で既にプロトタイプのナトリウム･イオン電池を作成している。

イギリスはナトリウム･イオン電池の技術リーダー

　ナトリウム･イオン電池技術はイギリスに世界的な市場をリードする役割を果たす機械を提供する。現在の利点に基づいて構築することにより、イギリスは大規模な国内製造業と関連するサプライチェーンを確立することができる。リチウム・イオン電池と比較すると、現在ナトリウム･イオン電池技術の特許は比較的少ないが、イノベーションが激化するにつれて、出願の割合は加速していく。

イギリスには既にこの分野で定評のある企業がある：

●  Faradion Ltd (シェフィールド)は、層状金属酸化物技術を備えた非水系ナトリウム･イオン電池技術の世界的リーダーである。Faradionはこの分野で最初の技術であり、その技術は30のパテント・ファミリーで最も開発されている。

●  AMTE Power Ltd (Thurso)は著名なリチウム・イオン電池製造者であり、Faradionの技術の使用許可者であり、ナトリウム･イオン電池の生産を計画している。

●  Deregallera Ltd (Caerphilly)はナトリウム･イオン電池に焦点を当てた大手材料開発会社である。

　国際的な競合企業には、HiNa Battery (中国)、Natron Inc (アメリカ)、TIAMAT (フランス)、Altris AB (スエーデン)が含まれる。

　イギリスはまた、材料と設備の大手供給者を誇っている。Advanced Propulsion Centerはリチウム・イオン電池の化学物質サプライチェーンをマッピングする際に、すでにリチウム・イオン電池製造者に供給している。また将来供給できる可能性のある60を超えるイギリス企業を特定した。これらの企業の大多数(電極材料、添加剤、バインダーなどの製造者)、金属塩、電解質、ポリマーフィルム、溶媒、金属箔)もナトリウム･イオン電池製造に対応できる。ナトリウム･イオン技術がまだ始まったばかりでアルミニウム現在、イギリスのサプライチェーンの統合を調整することは国際競争に先んじて大量生産への進歩を加速し、経済の最大の価値を獲得するであろう。

用途

　ナトリウム･イオン電池は現在、エネルギー密度ではなく、コスト、持続可能性、電力密度、温度範囲、および安全性が非常に重要である用途に適した特性を提供している(図1)。図は省略

初期の用途

　ナトリウム･イオン電池技術は高電力が有利な場合(動力工具など)、および電気通信部門の初期段階の無停電電源装置用途で魅力的になりつつある。所有コストが下がるにつれて、ナトリウム･イオン電池は多くの定置型エネルギー貯蔵用途でも勢いを増している。

短期的な用途

　最終使用者は電力網がない地域や電力網の信頼性が低い地域でのディーゼル発電機の交換など、大規模な市場で既に試験を開始している。これらの場所での特定の用途には共同社会ミニ配電網や家庭用太陽光発電装置が含まれる。ディーゼル発電機は古代の役割を果たしているが、使用者はますますそれらを電池で補ったり交換したりしている。電池は使用者が太陽光発電などの再生可能エネルギーと組み合わせてディーゼル発電機を操作する場合に特に魅力的である。

　ディーゼル発電機の交換は重要な経済的および環境的機会を表している。電池よりも初期費用は低くなるが、継続的な費用は高くなる。また、高価な燃料の安全な供給が必要であり、温室効果ガスの排出と大気汚染を引き起こすため、時間の経過と共に高価になる。開発途上国の配電網エネルギー貯蔵は2030年までに720 GWに達し、市場からの最大560 GWがディーゼル発電機に取って代わる。

　公益企業規模のエネルギー貯蔵は、ネットワークが高品質で信頼性が高く再生可能な電力を供給するのに役立つ。2017年には、世界の実用規模のエネルギー貯蔵の96％が揚水水力によるものであった。しかし、可変再生可能エネルギーの世界的な統合が進むにつれて、電池技術は古代のタスクにより適した物になる。IRENAは公益企業規模の電池蓄積の成長を2017年の10 GWhから2030年までに45～187 GWhと推定している。負荷平準化は需要の少ない期間のエネルギーを貯蔵し、高い需要があるときにエネルギーを放出する公益企業規模の用途例である。プロトタイプのナトリウム･イオン電池は負荷平準化の技術要件を既に満たすことができるが、技術競争のためにはさらなるコスト削減が必要である。

　ナトリウム･イオン電池の所有コストは鉛蓄電池よりも低くなることが約束されている。鉛蓄電池の初期費用は少なくなるが(120対225ドル/kWh)、ナトリウム･イオン電池は高いサイクル寿命(300対3,000サイクル)と往復効率(75％対93％)を備えているため、より頻繁に充電され、より少ないエネルギーを浪費する。Fadadionは、使用者が鉛蓄電池を5倍の頻度で交換する必要があり、全体的なナトリウム･イオン電池は鉛蓄電池の3分の2のコストであると見積っている。

将来の用途

　実用的な将来の市場は自動車エンジンの始動-照明-点火(SLI)に使用される鉛蓄電池の交換から来ている。SLI電池は安価で広い温度範囲で動作する。ナトリウム･イオン電池はSLI用途に最適であり、同じ温度範囲で指定された電力をより軽い電池で提供することにより、鉛蓄電池よりも優れている。また、エネルギーの浪費が少なく、寿命が長く、有毒な鉛を避けている。比較的高い初期費用と規模の経済を実現する必要性は、ナトリウム･イオン電池が今後5年以内にSLI市場に浸透する可能性が低いことを意味する(図2)。図2は省略

　最近の進歩により高エネルギー密度(～160 Wh/Kg)のナトリウム･イオン電池の製造が可能になった。これらはリン酸鉄リチウム電池(～160 Wh/Kg)などのリチウム・イオン電市場の低コスト・エンドに匹敵する。規模の経済がコストを同様の価格帯に下げるのに十分である場合、ナトリウム･イオン電池は自動人力車、電気自転車、短距離または軽電気自動車などの低コスト市場でリチウム・イオン電市場を置き換えることができる可能性がある。

ナトリウム･イオン電池の市場規模

　ほとんどの初期の収益は、たとえかなりの価格プレミアムであっても、安全上の懸念から使用者が現在のリン酸鉄リチウム電池の代替品を望んでいる市場の混乱から生じる可能性がある。これらの初期の市場はナトリウム･イオン電池の獲得可能な市場全体に比べると小さいが、後の大量生産用途に必要な製造規模とサプライチェーンを確立する上で必要になる。

結論

　ナトリウム･イオン電池は、リチウム・イオン電池の長所の多くを共有している。これらはリチウム・イオン電池と同じ基本的な形式と動作原理を備えているが、性能とコストの面で大きなメリットがあり、今後数年間でさらに改善が見込まれる。

ナトリウム･イオン技術の徹底的な科学的調査は、比較的最近の出来事である。ナトリウム･イオン化学は比較的未踏であるが、それらの類似性とリチウム・イオン電池と同じ製造装置を使用できるため、数十年の経験を活用できる。ナトリウム･イオン電池には比較的少数の特許があるが、イギリスおよび国際的なイノベーションが加速している。現在、イギリスに重要な知的財産を構築し、イギリス経済に価値と雇用を創出する機会がある。

ナトリウム･イオン電池は依然として焦点を絞った研究と重要な革新を必要としているが、多くの技術とは異なり、市場に到達するために新しい製造装置を開発する必要はない。安全性、持続可能性、電力、およびサイクル寿命の利点を備えたナトリウム･イオン電池は、既に大規模で成長している市場での商用用途の最前線にいる。増加した量と機能性材料の改善を組み合わせると、なではが広く採用されるようになる。

　ナトリウム･イオン電池はイギリスに市場をリードする役割を果たす機会を提供する。イギリスは既にこの分野で確立されたリーダーであり、国際的に重要な開発会社の本拠地である。イギリスはサプライチェーン全体および下流の用途からの追加の経済的利益を伴う大規模な国内製造を確立できる。そうすることで、この新しい国内サプライチェーンは、イギリス企業に国際電池市場に足を踏み入れ、実質的な新しい市場を開拓し、イギリスに雇用と重要な経済的価値を生み出すはずである。Faraday InstitutionのNEXGENNAプロジェクトはイギリスの大手企業と協力して商品化を加速している。

　しかし、イギリスが国際競争の加速に直面してその地位を維持し拡大する機会をつかむためには、重要かつ緊急の投資を行わなければならない。これらの投資には次のものが含まれる：

●  製造への移行を支援するためのナトリウム･イオン研究の支援拡大

●  信頼性を示し、大規模に製造するための業界の取り組みを支援するための実証プロジェクトへの投資

●  イギリスでの大規模なナトリウム･イオン電池製造の確立を促進するための重要な動機付けと支援

ナトリウム･イオン電池は用途のリストを拡大して適した、安価で、持続可能で、安全で、迅速に拡大できるエネルギー貯蔵を提供し、イギリスに重要なビジネス・チャンスを提供する。