新興国向けの次世代ナトリウム･イオン電池に向けて
Towards Next Generation Sodium-Ion Batteries for Emerging Economies
By Sophia Constantinou
https://www.faraday.ac.uk/ 2023.06.26
ファラデー研究所が主導するエネルギー貯蔵に関するAyrton Challengeが加速する中、ナトリウム･イオン研究プロジェクトであるNEXGENNAの第一フェーズの一環として達成されたことと、この技術が新興経済国の輸送および静的エネルギー貯蔵に適している理由を見ていく。
ナトリウム･イオン電池の性能とコスト特性の向上により、マイクロモビリティ用途(電動モペットや電動三輪車など)や新興経済国の低コスト自動車用途への関心が高まっている。
関心は高まっている：2021年にインドの多国籍コングロマリットであるReliance Industriesは、イギリスのナトリウム･イオン電池開発会社ファラディオンを買収した。ナトリウム･イオン電池は、低中所得国の何百万人もの人々に安価でクリーンな電力を提供し、その過程で何千もの汚染ディーゼル発電機を置き換える可能性が大きい静的エネルギー貯蔵に最適な技術でもある。
ファラデー研究所が主導するエネルギー貯蔵に関するAyrton Challengeが加速する中、ナトリウム･イオン研究プロジェクトの第一フェーズであるNEXGENNAの一環として達成されたことを見ていく。
なぜナトリウム･イオンなのか？
ナトリウム･イオン電池は新しい電池技術であり、リチウム・イオン電池と比較して、コスト、安全性、持続可能性、および性能上の利点が約束されている。広く入手可能で安価な原材料と既存のリチウム・イオン製造方法を使用しており、迅速なスケーラビリティを約束している。ナトリウム･イオン電池は、重量や体積ではなく、生涯の運用コストが最優先の要因(静的貯蔵など)であるカーボン・ニュートラルなエネルギー貯蔵に対する世界的な需要を満たす上で魅力的な見通しである。ますますナトリウム･イオン電池はリン酸鉄リチウム・イオン電池に匹敵する性能特性を備えており、マイクロモビリティや電気自動車用途への関心を集めている。
NEXGENNAプロジェクトのハイライト
ナトリウム･イオン電池に関連するNEXGENNAプロジェクトは、セントアンドリュース大学のJohn Irvine教授が主導している。これは、ファラデー研究所の10大、多大学、学際的な研究プロジェクトの1つである。
NEXGENNAの使命は、持続可能性、安全性、コスト上の利点を維持しながら、ナトリウム･イオン電池のエネルギー貯蔵、電力、および寿命の改善につながる可能性のある研究所発見を行うことである。これにより、商業化の速度と適した用途の数が加速する。
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NEXGENNAの一部は、トランスフォーミング・エネルギー・アクセス(TEA)を通じてイギリス政府からのイギリスの援助を受けて資金提供されている。TEAプラットフォームは、特にアフリカの貧しい家庭や企業への手頃な価格のクリーンなエネルギー・ベースのサービスへのアクセスを加速する革新的なテクノロジーとビジネスモデルの初期段階のテストとスケールアップをサポートする。
TEAの資金調達は、プロジェクトの範囲と能力を強化するために、別の国家プログラムであるFaraday Battery Challengeからの既存の1千万ポンドの資金調達コミットメントを活用する。ファラデー研究所はFaraday Battery Challengeの主要なデリバリー・パートナーであり、主にInnovate UKを通じて資金提供されている。
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このプロジェクトは、(1) 高出力 (2) 高エネルギー (3) 持続可能な材料(コバルト、ニッケル、リチウムを含まない)など、さまざまな性能に最適化された次世代ナトリウム･イオン電池用の材料の開発を真座している。研究者は、アノード、カソード、電解質の興味深い新しい化学物質を発見し、性能の向上、と競争力のあるコストが期待されている。例えば、電解質分野では、研究者は、ナトリウム･イオン電池の電解質に使用される塩であるNaPF6のエレガントで持続可能な合成方法を開発し、より純粋で乾燥した生成物を生成し、はるかに高い塩濃度を可能にする。サイクル寿命とエネルギー密度を改善したベンチマークセルが製造されている。電解質は商業的な関心を集めている。
プロジェクトの次のフェーズでは、研究者はセントアンドリュース大学の用途の広い電池スケールアップ施設でこれらのセル・コンポーネントの調査、改善、理解、スケールアップを続ける。施設には、最先端の機器、乾燥室、試験室が含まれている。研究者は、NEXGENNAプロジェクトのさまざまな要素から初期の材料を組み合わせてテストし、商業的に関連する形式で電池を製造できるようになる。これはナトリウム･イオン電池の商業化をサポートする強力なツールであり、多くの業界の関心を集めている。
施設のスケールアップは閣僚の関心を集めている。2023年2月に、イギリスのスコットランド国務長官Malcolm Offordは、セントアンドリュースにある新しい電池プロトタイピング施設と「乾燥室」のプレビューを提供された。さらに、ストラスクライド大学は、John Irvineの研究グループのメンバーが参加したCOP26から1年後の活動の一環として、イギリスのJames Cleverly外務大臣の訪問を主催した。
論文と発明
最初の3年間で、NEXGENNAの研究者達は33件の査読付き科学論文を発表した。重要なことに、2021年にNEXGENNAプロジェクトはナトリウム･イオン電池のロードマップの作成を主導した。Journal of Physics Energyに掲載されたロードマップ論文は、28組織から61人の研究者が関与する高度に協力的な取り組みであり、2023年3月までに34,000回以上ダウンロードされた。NEXGENNAの論文のリスト、およびファラデー研究所の研究の質に関するさらなる議論については、ここをクリックする。
ファラデー研究所は、NEXGENNAプロジェクト・チームによる4つの発明を追跡している。潜在的な特許に関する議論は進行中である。
インドとの関係－学界、産業界、政策
このプロジェクトは、イギリスを拠点とするナトリウム･イオン電池技術の大手企業であるファラディオンと緊密な協力関係を築いている。5人以上の元NEXGENNA研究者達が業界組織で働くようになった。2021年12月、インドを拠点とするReliance New Energy Solarは、ファラディオンの買収を発表し、商業展開を加速するために大幅な成長資本を投資した。Relianceは、イギリスを研究拠点として維持し、電気自動車用のナトリウム･イオン電池をインドで製造する予定である。これは、新興経済国における低コスト輸送用途向けのナトリウム･イオン電池への関心の一例である。
セントアンドリュース大学のプロジェクト研究者達は、llTマドラスと継続的な関係を持っている。この関係はTEAプログラムの第二フェーズの一環としてさらに発展する。
ファラデー研究所とNEXGENNA主任研究者のメンバーは、2023年4月にインドの最高科学責任者と会い、研究の方向性、プロジェクトの進捗状況の概要、新しい乾燥室施設などについて話し合った。
テクノ経済分析
NEXGENNAプロジェクトの1分野はTEAプログラムによって、2023年初頭に特別に資金提供された。ファラデー研究所はExawattにナトリウム･イオン電池技術の技術経済分析を完了するように依頼した。コンサルタントは、リチウム・イオン電池の技術経済学の広範なモデリングを使用し、同じ方法論を適用して、さまざまなナトリウム･イオン電池材料の配合とコスト・シナリオについて、ナトリウム･イオン電池の予測とコスト・モデルを構築した。
Exawattの高コスト・シナリオでは、ナトリウム･イオン電池は低コスト・シナリオの下でリン酸鉄リチウム・イオン電池よりも製造コストが安い。予想通りカソードはリン酸鉄リチウム・イオン電池のコストの大部分を占めている。対照的に、ナトリウム･イオン電池の硬質炭素アノードは最大の個々のコスト要素である。
Exawattは、この技術が許容可能なセル・エネルギー密度を達成できる場合、ナトリウム･イオン電池の使用は、固定貯蔵だけでなく、最初はエントリー・レベルの電気自動車でも大幅に増加すると予想されることを発見した。これは、ナトリウム･イオン電池駆動電気自動車の最近の発表によって実証されている。Exawattは、貯蔵および輸送市場全体でナトリウム･イオン電池の総需要が2023年に少なくとも350 GWhになると予想しており、高取込みシナリオでは750 GWhになる可能性がある。
この研究の他の調査結果は、ナトリウム･イオン電池の動作電圧を高め、より大きなエネルギー密度に到達できるようにし、電気自動車市場への浸透の可能性を解き放つことに研究開発を集中させる必要性など、将来の研究の方向性に関するファラデー研究所の考え方を強化する。
さらなるTEA資金は2025年9月までのNEXGENNAプログラムに向けられる。
