ナトリウム･イオン電池：再生可能エネルギー貯蔵における革命
Sodium-Ion Batteries: The Revolution in Renewable Energy Storage
https://www.iberdrola.com/ より 2023
効率的なエネルギー貯蔵は、エネルギー移行の重要な柱である。脱炭素化が加速する中、メーカーは人気の高いリチウム電池の安価な代替品であるナトリウム電池にますます目を向けている。この技術は、手頃な価格の電気自動車の大量生産と再生可能エネルギーの効率的な貯蔵への扉を開く。しかし、それらはどのように機能し、どのような利点があるか？
新世代電池の開発は、沿岸都市部の将来を決定する要素であり、気候変動の課題に直面した脱炭素化とエネルギー転換の鍵となる。再生可能エネルギーを貯蔵することで、再生可能エネルギーの生産がより柔軟になり、システムへの統合が確実になる。
1991年の登場以来、リチウム電池はエネルギー貯蔵部門を支配してきた。しかし、このリーダーシップにより、この鉱物の需要は大幅に増加し、その需要は減少しているようには見えない。その結果、リチウムの供給不足に伴う価格上昇や供給不足による遅れの可能性が表面化している。
近年、電池メーカーと自動車産業は、エネルギー貯蔵システムの製造用にリチウムの代わる原材料を模索してきた。そして最も実現可能な選択肢の1つはナトリウム･イオン電池である。この鉱物は比較的豊富に存在し、その低コストにより再生可能エネルギー貯蔵における次の革命として位置付けられている。
ナトリウム･イオン電池とは何か？またどのように機能するか？
ナトリウム･イオン電池は、リチウム電池と同様に機能する充電式電池の一種であるが、リチウム・イオンではなくナトリウム･イオンを使用して充電を行なう。ナトリウムは銀色の軟アルカリ金属で、自然界に非常に豊富に存在し、例えば、海塩や地殻に含まれている。ナトリウム･イオン電池の動作は。2つの元素の化学的性質が似ている(両方ともアルカリ性である)ため、リチウム・イオン電池の動作と非常によく似ている。
ナトリウム電池は1980年代に初めて研究されたが、エネルギー貯蔵におけるナトリウムの真の可能性が再発見されたのは21世紀になってからであった。
過去20年間、ナトリウム･イオン電池分野における特許取得済みの研究活動の50％以上が中国(53％)で行なわれている。ヨーロッパもこの分野で進歩し始めている。現在この技術で最も重要な役割を果たしている企業は、中国企業のCATLまたはHiNaである。
この点で未来は明るい。ブルームバーグNEFによると、2030年までにナトリウム･イオン電池は定置型蓄電池市場の23％を占める可能性があり、これは50 GWh以上に相当するという。しかし、技術の改善が加速し、リチウム電池と同様または同じ装置を使用した製造が進歩すれば、この予測は上回る可能性がある。
ナトリウム・イオン電池技術
ナトリウム･イオン電池は、電子を放出する負極またはアノードと電子を受け取る正極またカソードという要素で構成されている。電池が放電すると、ナトリウム･イオンが電解質(導電体として機能する遊離イオンで構成される物質)を通ってアノードからカソードに移動し、その結果、電流を生成する電位差が生じる。電池が放電されると、所定の充電終了電圧に達するまでナトリウム･イオンがアノードに戻る。
ナトリウム･イオン電池のメリットとデメリット
ナトリウム･イオン電池は、地球上に豊富に存在し、生産コストが比較的低いアルカリ金属を利用することで、多用途で経済的に実行可能な選択肢を提供する。急速充電によるエネルギー効率の高い電力、極端な温度に対する安定性、過熱や熱暴走に対する安全性を提供する。火災時に汚染ガスを放出する可能性のあるリチウム、コバルト、銅、ニッケルを必要としないため、他の一般的な電池よりも毒性が低い。そして、さまざまな用途に適応できる。
その性能にもかかわらず、ナトリウム電池は商業現場では比較的新しいものである。このタイプのエネルギー貯蔵の大量適用は、確立された産業サプライチェーンが不足しているため、まだ弱い。さらに、ナトリウム･イオン電池の主な欠点の1つは、リチウム電池などの他の一般的な電池と比べてエネルギー密度が低いため、単位重量あたりに蓄えられるエネルギーが少ないことである。また、効率も低くなり、寿命も短くなる。
ナトリウム･イオン電池の製造
現在、ナトリウム電池は生産量が少ないこととサプライチェーンが発達していないため、リチウム電池よりも製造コストが高くなるが、将来的にははるかに安くなる可能性がある。これを達成するためには、GWhの生産能力に達する必要がある。
製造に関しては、今日のナトリウム・イオン技術のほとんどはリチウム電池と同じプロセスを使用しており、これは開発中の他の蓄電技術に比べて非常に大きな利点である。したがって、ナトリウム技術は規模の経済とリチウムの知識から恩恵を受けることができる(既存のリチウム工場をナトリウム・イオン技術に改修する場合、追加の設備投資はわずか10％ですむ)。
ナトリウム･イオン電池の用途
研究によると、ナトリウム･イオン電池はエネルギー貯蔵に対する需要の増大に持続可能な方法で対応できることが示唆されている。ナトリウム電池の既知の用途には次のようなものがある：
再生可能エネルギー貯蔵
化石燃料から風力や太陽光発電などの再生可能エネルギー源への移行が進む世界では、電力貯蔵の改善が極めて重要である。ナトリウム･イオン電池を使用すると、家庭や企業向けに再生可能エネルギーを蓄えることができ、生成されるあらゆるグリーン・メガワットのバランスの取れた供給が保証される。エネルギー業界の主な用途の1つは自家消費である。
送電網内の貯蔵
断続的な電力は送電網の故障を引き起こす可能性があるため、スマート送電網は安定した電力に依存する。ナトリウム･イオン電池は、電源の安定性を高めることができる。
データおよび通信会社のエネルギー・サポート
データおよび通信部門には、エネルギー貯蔵に大きく依存するインフラストラクチャーとプロセスがある。ナトリウム電池はオンデマンドで電力を供給し、安定した安全なエネルギー供給を保証する。
自動車と輸送
輸送による炭素排出量の削減は、エネルギー転換の重要な柱である。ナトリウム・イオン技術は、電気モビリティの代替手段としてますます現実的になってきている。
産業用モビリティ
ナトリウム･イオン電池は、産業における資産利用率を最大化し、運用コストを最小限に抑えることができる。
ナトリウム・イオン技術の未来
近年推進されているリチウム電池の研究活動は、ナトリウム･イオン電池の開発に恩恵をもたらしている。リチウム・イオン電池との多くの類似点を維持することにより、このタイプのエネルギー貯蔵は特に急速な進歩を遂げており、その導入において重要な利点となることが期待されている。
しかし、それに加えて大規模な電気エネルギー貯蔵に対する需要の高まりや、例えば陰極材料としての硬質炭素の使用などの最近の発見により、ナトリウム･イオン電池の開発が増加している。
その大きな課題により、次の3つの主要な技術改善の方向性が開かれる：
エネルギー密度を高めてエネルギー貯蔵を改善する。
サイクル性の高いセルを駆動する(電気自動車の急速充電、周波数調整、回生ブレーキ)。
リチウム電池とのハイブリッド化。一部のメーカーは、リチウム電池(エネルギー予備量)とナトリウム電池(より優れた急速充電性能)を組み合わせた電気自動車用のハイブリッド・パックを開発している。
達成できれば、次の目標はこの技術を低コストで大規模に実用化することである。これは、再生可能エネルギー貯蔵における大きな革命の基礎を築く旅の始まりにすぎない。
