全固体電池やナトリウム･イオン電池にはリチウムの
供給不足を克服する力があるか？
Does Solid-State and Sodium-Ion Batteries Have the power to Overcome the Lithium Supply Crunch?
By the Fastmarkets Team
Fastmarketsは2つの重要な新たな電池化学と、それらが電池材料供給の課題を軽減するかどうかを調査する。
https://www.fastmarkets.com/ 2023.07.27
電気自動車と持続可能なエネルギー貯蔵の成長により、リチウムの将来の入手可能性とコストについて懸念が生じ始めている。代替電池の化学的性質の探求が激化するにつれて、全固体電池とナトリウム･イオン電池という2つの候補が浮上している。性能の向上と希少資源への依存の軽減を約束するこれらの新興技術は、リチウムの供給不足への期待を呼び起こしている。我々は、それらが実行可能な機会となるかどうかと、そこに生じる課題を調査する。
この記事では次のことを見ていく：
● 全固体電池とは何か、また従来のリチウム電池との違い
● 全固体電池が電気自動車業界にもたらすチャンスとは
● 全固体電池がリチウムの需要と供給に及ぼす影響
● ナトリウム･イオン電池およびその他の新しい電池技術
固体電池とは何か？
固体電池は、アノードとカソードの間に固体電解質を備えた従来のリチウム電池の液体電解質とポリマー・セパレターを置き換える。研究されている材料は数多くあるが、酸化物や硫化物などのセラミックを含む無機固体電解質、固体ポリマー電解質または有機電解質、および複合ポリマー電解質の3つのグループに大別できる。
従来のニッケル、コバルト、マンガン正極を、シリコンを豊富に含むグラファイトの負極と併用できる。ただし、最終的な目標は純粋なリチウム金属アノードを使用することであり、これは固体電解質でのみ実現可能である。
固体電解質を使用する理由と、電気自動車業界に撮ってのチャンスは何か？
リチウム金属アノードを備えた真の固体セルは、今日の現在の電池技術を大幅に改善する可能性を秘めている。彼等は次のように提案する：
● エネルギー密度の向上：グラファイトがリチウム金属アノードの完全に置き換えられるため、セルの質量と体積が大幅に減少する。これにより、セル全体のエネルギー密度が向上し、電気自動車の航続距離が長くなる。
● より高速な充電：アノード集電体(またはアノード・ベース層)への固体リチウムの堆積は、充電時にグラファイト・アノード構造へのリチウム・イオン挿入よりも速い速度で発生する可能性があり、これにより充電時間が短縮される。
● 安全性の向上：固体電池は、液体ベースのリチウム・イオン電池にある可燃性溶媒をより熱的に安定した固体電解質に置き換えるため、乗客の安全性が向上する。
● 長寿命：従来のリチウム・イオン電池では、グラファイトが液体電解質と反応して固体電解質界面(またはSEI層)を形成する。充放電サイクル毎に層が成長するため、ここでリチウムが消費され、時間の経過と共にセルのリチウムが枯渇する。固体電池ではグラファイトが不足し、固体電解質が使用されるため、これらの不可逆的な副反応が回避される。さらに、固体電解質を使用すると、電池の寿命と性能に影響を与える別の望ましくない副反応であるリチウム・デンドライトの形成を抑制できる。電池の寿命が長くなれば電気自動車の所有コストが下がり、電池の交換やメンテナンスの頻度が減る。
● (最終的には)コストの削減：グラファイトが不足しているため、これらの材料に関連する製造の流れとコストが回避される。また、セル形成プロセス(セル製造におけるSEI層に関連する高価な生産終了ステップ)も簡素化できる。さらに、エネルギー密度が高いため、電池パックあたりのセル数が少なくなり、固体電池の安全性が向上したため、パック設計が簡素化される。
課題は何か？
これらの約束が実現するまでには、乗り越えなければならない障壁がまだ沢山ある。リチウム金属アノードにおけるリチウム・デンドライト結晶の形成は、特に急速充電条件下でセルの寿命に影響を与える。現時点では、固体電解質は液体電解質ほどリチウム・イオンに対して伝導性が高くないため、電池の出力とエネルギーの両方に影響を与える。固体電池が効果的に動作するには、高温と外部圧力が必要であり、パック設計が複雑になる。最後に、固体電池は、費用対効果の高い大量導入を可能にするため、高い製造精度と多くの技術革新を必要とする。
全固体電池はリチウム需要にどのような影響を与えるだろうか？今後10年間で、年間の電池ギガワット時需要の半分は電気自動車によるものになるだろう。したがって、全固体電池の開発が成功し、大規模に展開できれば、リチウムの需要に大きな影響を与える可能性がある。
リチウム金属アノードを備えた固体電池は、固体電池のエネルギー密度が高にもかかわらず、従来のリチウム・イオン電池よりも高いリチウム材料強度(kg/kWh)を必要とする可能性がある。しかし、リチウム材料強度は、エネルギー密度の増加に比例して減少するわけではないことに注意することが重要である。それは全体的なリチウム含有量、セル設計、電解質の導電性などの多くの要因に依存する。
固体研究における画期的な成果は定期的に発表されており、最新のものではトヨタが2027年までに電気自動車に使用する固体電池の量産を計画している。しかし、ほとんどの発表には物理的な試験データが伴っていないため、受け入れるのが難しい。生産スケジュールは額面通りに表示される。
固体電池はまだ開発段階にあり、商品化や普及はまだ実現していない。これらのセルが最終的にどのように見え、どのような構成になるかが不確実であるため、材料需要をモデル化することが困難になる。
市場に参入する他の代替電池技術はあるか？
ナトリウム･イオン電池もリチウム・イオン電池の潜在的な代替品として注目を集めており、CATL-CheryとBYDはいずれもナトリウム･イオン電池を搭載した電気自転車を発表している。ナトリウムはリチウムよりも豊富で安価であるため、サプライチェーンの制約を緩和し、コストを削減できる可能性がある。ナトリウム･イオンはまだ開発の初期段階にあり、エネルギー密度、サイクル寿命、性能に関する技術的な課題に直面している。現在、進行中の研究では、これらの課題に対処するとともに、低航続距離の電気自動車や超小型モビリティ、一部のエネルギー貯蔵システム、用途向けのリン酸鉄リチウム電池の実行可能な代替品としてのナトリウム･イオンの可能性を探求している。
しかし、例えば、リン酸マンガン鉄リチウム電池など、現在のリチウム・イオン技術は継続的に進歩しており、電気自動車市場の将来を形作る上で重要な役割を果たすことにも言及する価値がある。リチウムの需要は今後数年間で大きく変化するとは考えられない。電池の革新は中断されるのではなく、段階的に進歩する。
近いうちにナトリウム･イオン電池が主流になるか？
電池技術の正確な軌道を予測することは、進行中の研究開発、商業的実現可能性、製造の拡張性、市場の需要などの様々な要因に依存するため、困難である。リチウム金属固体電池とナトリウム･イオン電池はどちらも次世代エネルギー貯蔵の有望な候補であるが、採用までの道のりとスケジュールは異なる。
全固体電池は大きな可能性を秘めているが、リチウムの需要と供給に対する実際の影響は依然として不明瞭であり、新しい技術が進歩するにつれて、市場におけるリチウム・イオン電池の成長も同様である。
全体として、電気自動車とエネルギー貯蔵システムからの需要の見通しは非常に大きいため、様々な用途に適したさまざまな電池技術の余地があると予想される。以下のインタラクティブなグラフ(省略)のバーの上にマウスを移動すると、2033年までの乗用車の電気自動車電池の故障予測が表示される。
ナトリウム･イオン電池という新興技術が市場に参入する中、Fastmarketsは現在、長期予測の中でナトリウム･イオン電池を検討している。
当社は、ナトリウム･イオンが2033年までに世界の乗用電気自動車市場の6％、エネルギー貯蔵システム市場の7％を占めると予想している。Fastmarketsは、電気自動車におけるナトリウム･イオンの取り込みは奇瑞などの地元自動車メーカーが主導する中国市場が主導すると予測している。ナトリウム･イオン電池を搭載するモデルを公表しているOEMはBYDとJACだけである。
