ナトリウム電池：未来のテクノロジー？
Sodium Batteries: The Technology of Future?
https://www.flashbattery.tech/ 2023.07.26
電池分野はイノベーションで賑わっている。市場に付加価値をもたらすますます効率的で高性能なテクノロジーの研究は決して終わらない。ここ数年、ナトリウム･イオン電池への関心が再び高まっているが、これは主にナトリウム･イオン電池がもたらす経済的利点によるものである。
当社の電動化専門家Marco Righi、Alan Pastorelli、Invernizziは、電池の世界に関する当社の週刊番組「Battery Weekly 2023」のエピソード20でこの問題について議論し、ナトリウム電池が見ている顕著な上昇傾向と、何がナトリウム電池の大規模な展開を妨げているのかを深く掘り下げた。
ナトリウム･イオン電池は、エネルギー貯蔵と電動モビリティの分野で確実に人気が高まっている。しかし、これらの電池には依然として多くの制限があり、広範な用途向けに市場に出す前に解決する必要がある。
ナトリウム電池とは何か、その特徴を一緒に見ていこう。
ナトリウム電池とは何か、またその仕組み：リチウム・イオン電池に対する類似点と相違点
リチウムと同様、ナトリウムは周期表の第一族に含まれるアルカリ金属である。2つの金属は、最初の列で正確に上下に配置されており、多くの物理的および化学的特性を共有していることを意味する。これらの類似した特性により、研究者達は1970年から1990年にかけて、リチウム電池の研究とほぼ同時期にナトリウム電池に関する最初の研究を実施した。
しかし、後者は最終的に大きな成功を収め、ナトリウム電池を後回しにして商品化された。
ナトリウム電池とリチウム電池の共通点は何か？
ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の基礎となる動作原理は実質的に同じであり、ナトリウム・イオン技術で使用される電池材料の多くはリチウム・イオン技術から借用されたものである。
実際、どちらの技術もイオンを使用してエネルギーを運び、蓄える。ナトリウム･イオンは充電段階中に電流によってカソード(正極)からセパレーターを通ってアノード(負極)に移動する。放電中、イオンはカソードに向かって戻り、電子の流れ、つまり電流が電荷とは逆方向に外部回路を流れる。
カソードは電池の正極であり、カソード材料(LFP、NMCなど)と集電体で構成される。電池の負極であるアノードは、アノード材料(カーボンやグラファイトなど)と集電体で構成されている。
ナトリウム電池は基本的にナトリウムを含むことができる材料からなるカソード、通常炭素で作られるアノード、およびイオンの形でナトリウム原子を含む液体電解質で構成されている。電解質は電池の内部容積を満たす有機液体であり、イオンの移動を可能にするカソードとアノードの間の接続リンクとして機能する。
ナトリウム電池とリチウム電池はどう違うか？
純粋に化学的な観点から見ると、2つの元素の間には大きな違いがある。ナトリウム陽イオンの原子半径は、対応するリチウム陽イオンよりも0.3Å大きい。これは、その原子量と質量がリチウムの3倍以上であることを意味する。
これだけでも、解決策が必要な重大な技術的問題をもたらす。アノードとカソードの間の移動において、ナトリウム原子の質量はリチウムの3倍であるため、より大きな機械的ストレスが発生し、電池の大きな劣化につながる。その結果、ナトリウム電池はサイクル寿命が短く、リチウム電池ほど性能が良くない。これは、リチウム電池で最も一般的に使用される負極材料であるグラファイトが、ナトリウム･イオンとの相互作用で不可逆的な剥離反応を起こし、自己負極性物質となるためである。いくつかのライフサイクルの後に破壊される。
したがって、最も複雑な側面の1つは、グラファイトの代わりに使用でき、ナトリウム電池の寿命を延すことができる適切な負極を特定することである。さらに、ナトリウム･イオンの標準還元電位はリチウムよりも低く、換言すれば、ナトリウム･イオンは電子を獲得する傾向が低い。これは、リチウム電池と比較してナトリウム電池はより低い最大電圧を
供給できることを意味している。ナトリウム電池の公称電圧は2.3～2.5 Vであるのに対し、リチウム電池の3.2～3.7 Vである。ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池で起こる電気化学プロセスが同じであることを考慮すると、ナトリウムとリチウムはどちらも同じ電荷を持つ。しかし、オンス当りでは、ナトリウム電池はリチウム電池よりも充電できる量が少なく、言い換えれば、エネルギー密度が低くなる。
これら2つの特性を組み合わせることで、ナトリウム電池はリチウム電池よりも40％少ないエネルギーを蓄えることができる。
ナトリウム電池の長所と短所
ナトリウム電池が再び注目を集めているのは、生産の一部を差別化できる用途においてリチウムに代わる具体的な電池が必要とされることが主な理由である。リチウムは自然界の多くの岩石や一部の塩水中に存在するが、地殻中の量は無尽蔵ではない。さらに、リチウムを抽出するにはエネルギーが必要である。
これらの原材料に対する高い需要と、自然界での入手可能性が限られているため、価格が高騰し、「ホワイトゴールド」という名前が付けられた。今後、リチウム電池の需要は増加することが確実であり、原材料の入手可能性やこの化学反応のみに基づく経済の持続可能性について疑問が生じている。
言うまでもなく、技術の特定の用途で最高のパフォーマンスを達成することは、代替化学物質の探索において重要な側面である。ナトリウム電池はリチウムの代替となり得るか？ナトリウム電池の長所と短所をさらに深く掘り下げてみよう。
ナトリウム電池の利点
● すぐに利用できる
● 低コスト
● 安全性
● 耐低塩性
● 環境への影響が少ない
この技術の最も興味深い側面の1つは、その構成原料が広く入手可能であることである。実際、ナトリウムは地殻の中で6番目に豊富な元素である。この機能によりナトリウム電池の経済的競争力が高まり、メーカーにとっては重要な側面となる。
また、ナトリウム電池は、この化学元素をベースにした電池が可燃性ではなく、爆発や短絡の影響を受けにくいため、高い安全基準を保証する。さらに、これらの電池は極端な高温および低温に耐えることができ、リチウム電池の最適動作温度範囲は0℃～50℃であるのに対し、－20℃～60℃の範囲で動作する可能性がある。
原料は自然界で容易に入手でき、低コストかつ低エネルギー使用で抽出できるため、ナトリウムは環境への影響が少ない物質である。
ナトリウム電池の限界
● エネルギー密度が低い
● サイクル寿命が短い
ナトリウム電池の主な欠点は、エネルギー密度、つまり電池の体積に対して蓄えられるエネルギー量である。ナトリウム電池の密度は依然として比較的低く、リチウム・イオン電池の180 Wh/kg～250 Wh/kgと比較すると、140 Wh/kg～160 Wh/kgである。
ナトリウム電池の実用化を妨げるもう1つの主な要因は、その寿命の短さである。分解が速いのは、ナトリウム･イオンの質量が大きいためであり、その質量はリチウム・イオンの質量の3倍である。ナトリウム･イオンは、アノードとカソードの間の移動中に大きな機械的ストレスを生成し、数サイクル後にアノード材料であるグラファイトの破壊を引き起こす。
主な用途：ナトリウム電池の使用はどこに有益か？
ナトリウム電池は、性能よりも経済的要素が重要な用途においてリチウム電池の代替となる可能性がある。より具体的には、ナトリウム･イオン電池は低コストでエネルギー密度が低いため、定置用途やエネルギー貯蔵システムに特に適している。これらには、断続的な生産プロファイルを備えた太陽光発電システムや風力発電システムが含まれる。実際、ナトリウム･イオン・デバイスは高い安全性を備えているため、毎時間および毎日の頻繁な充放電サイクルを必要とするこのような用途に適している。
ナトリウム・イオン技術は、サイクル寿命が短いため、これらの分野ではまだあまり普及しておらず、これらの用途に必要な充放電サイクル数を依然として満たすことができない。新しい研究開発により、ナトリウム電池がライフサイクル期間の点で競争力を持つようになれば、間違いなく定置用途に優れた技術となる可能性がある。
Flash BatteryのCTO兼共同創設者Alan Pastorelliの言葉
「現在、ナトリウム電池はエネルギー密度が低いため性能が限られているが、性能の低い用途ではリチウムの真の代替品となる。これらの成長を続ける市場の需要に応えるためには、これが非常に重要である。我々は将来を見据え、リチウムが不可欠な用途にリチウムを使用することでサプライチェーンの持続可能性を確保するとともに、生産の一部を差別化し、需要全体を賄うためのチウムへの過度の依存を終わらせることができる技術の探索を続ける。」
ナトリウム・イオン技術の展望は何か？
予測によると、ナトリウム･イオン電池市場は今後10年間で年間27％の割合で成長すると予想されている。年間生産量はおそらく2025年の10 GWhから2033年には約70 GWhに増加し、600％近く増加すると予想されている。
ナトリウム電池とリチウム電池の生産にほぼ同じ技術が使用されているため、ナトリウム・イオン技術はさらに普及する可能性があり、生産ラインを転換する可能性があり、コスト効率がさらに高まる可能性がある。
ナトリウム･イオン電池にはまだ解決すべき問題がいくつかあるが、電動化の世界ではこれらの蓄電池への関心が高まっており、電池製造分野の主要な国際企業がこれらの技術に注目しているほどである。
ナトリウム電池は特に自動車分野の関心を集めている。電気自動車用リチウム・イオン電池およびエネルギー貯蔵システムの世界最大メーカーであるCATLは、2021年にナトリウム化学に注目を集め、生産を差別化するために投資する新興技術の1つとしてナトリウム･イオン化学を紹介した。
中国の大手企業は、現在、リチウム・イオン電池が占めている市場の一部をナトリウム･イオン電池に置き換えれば、リチウム電池の価格が大幅に下がると言う洞察に基づいてこれを行っている。
CATLは、ナトリウム電池の欠点を克服する革新的なアイデア、つまりハイブリッド電池パックを開発することを考えだした。これには、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池を一定の割合で混合して適合させ、それらを1つの電池システムに統合し、スマートBMSを使用して異なる電池システムを制御することが含まれる。ニーズに応じて、車両はナトリウム･イオン電池の低温性能や高いエネルギー密度を活用することができる。このプロジェクトはまだ実験段階であるが、すでに業界全体の注目が中国企業に集まっている。
解決が必要ないくつかの重要な問題にもかかわらず、ナトリウム・イオン技術は間違いなくそれ自体でますます大きな市場を切り開いている。全固体電池などの他の新興技術と同様に、この分野の研究は現在、盛んに行われており、現在、大規模な展開を妨げている障壁を克服するために多額のリソースが投資されている。この技術を市場に導入すれば、エネルギー密度が経済的要素よりも重要であり、現在、リチウム電池のみに依存している分野に目に見える利点がもたらせる可能性がある。
