SIMBAプロジェクト：ナトリウム・イオン電池技術の台頭
The SIMBA Project: The Rise of Sodium-Ion Battery Technology
https://www.innovationnewsnetwork.com/ 2023.07.27
SIMBAプロジェクトは、エネルギー転換をサポートし、重要な材料の使用を削減するために、固定エネルギー貯蔵用途向けのナトリウムおよびナトリウム・イオン電池技術の可能性を開発する。
欧州連合(EU)が資金提供するSIMBAプロジェクトは、HORIZON 2020の枠組みで、ヨーロッパの学界と産業界から16のパートナーを集め、定置型エネルギー貯蔵用途向けのリチウム電池の代替品を提供することを目指すコンソーシアムに参加する。
これは、急速に拡大する電気自動車市場からの高い要求によってリチウム・イオン電池市場が主に飽和状態になっている時間の経過で発生する。リチウム・イオン電池市場の急速な拡大は、ロンドン金属取引所のデータで観察された傾向によって示されるように、金属価格の高騰につながった。しかし、ナトリウムおよびナトリウム・イオン技術の採用は、この問題を軽減すると同時に、再生可能エネルギー源の統合を促進する可能性がある。持続可能なエネルギー・シナリオへの移行は、気候変動に対抗するためのEUの最も重要な政治的措置の1つである。太陽光や風力によるクリーン･エネルギーの割合の増加に対応するには、定置型エネルギー貯蔵が不可欠である。
蓄電システムとしての電池は、EUが2050年までにカーボン・ニュートラル社会を目指す上で不可欠な技術であり、再生可能エネルギーへの完全な移行に不可欠な要素である。図１(省略)のスケッチは、貯蔵システムが様々な種類の発電所とエンドユーザーの間の仲介者であるとい理想的なシナリオを表している。
電気自動車市場の成長により、リチウム・イオン電池はますます大規模に生産され、生産コストが削減され、送電網および／または家庭レベルでのエネルギー貯蔵への実装の新しい機会が生み出されている。2040年までに、電気自動車の数は2～3桁増加し、定置型蓄電容量は、現在、メーター前に設置されている3～4 GWhと比較して、最大1,300 GWhに達すると予想されている。これは、リチウム・イオン電池に使用される重要な原材料(コバルト、ニッケル、リチウム、銅)の将来の長期的な入手可能性とコストに関する懸念を引き起こす。
リチウム・イオン電池は電気自動車用途の優れた候補であるため、EUは定置型エネルギー貯蔵のニーズを満たすために、高性能、信頼性、安全性、持続可能性、および費用効果の高い電池の革新的な技術を依然として必要としている。ナトリウム･イオン電池とナトリウム金属電池は、リチウム・イオン電池に使用される重要な材料を豊富で持続可能な代替品に置き換える可能性を提供し、より環境に優しく、より持続可能で、低コストの次世代エネルギー貯蔵技術への道を開く。
SIMBAプロジェクト
2021年1月に開始されたSIMBAプロジェクトは、新しい安全で低コストの全固体ナトリウム電池技術の開発に関連する様々な概念と側面を統合する。ナトリウム･イオン電池に対応するためにリチウム・イオン電池の生産ラインを再構成すると同時に、リサイクル戦略を開発すると言う課題に取り組んでいる。
このプロジェクトは、プロジェクトの完了までにクローズド・ループ・コンセプトの技術準備レベル(TRL)5を達成し、最適な機能を備えた最終製品を確保することを目指している。SIMBAプロジェクトの目的を超えて活用戦略を策定することも、
技術準備レベルをさらに高めるために最も重要であり、フォローアップ・フェーズは市場展開段階で行われる。
材料の革新、持続可能な電極と電池の構造、この画期的な電池構成で行われる電気化学プロセスの特性評価と理解の強化など、様々な要因を考慮して、慎重な計画が必要である。SIMBA内の材料と構成は最先端の技術であり、プロトタイプ・レベルを超えることが期待されている。
これらの課題に取り組むための野心的で現実的な目標は、以下の目標を策定することによって設定されている。
● 新しいクラスの単一イオン伝導性ポリマー電解質とその製造方法を開発することにより、新しい固体電解質(TRL3-5)を使用したより安全な電池。
● 持続可能な製造方法を使用してTRL5までの材料を開発することにより、より高いエネルギー密度でより耐久性のあるアノード。
● 超低コストプルシアン・ホワイトおよびTRL2までの高エネルギー密度層状酸化物(P3/05型構造パターン)を正極材料として開発する。
● 固体電解質界面および電池構成内で発生する劣化を含む基本的なメカニズムの深い理解を習得する。
そして
● 電池管理システムを含む高効率の12 V,1 Ah電池モジュールにアップスケーリングして、材料の再利用、リサイクル性、パフォーマンス、ライフサイクル分析、およびさらなる開発の可能性を検証する。
共同でこれらの取り組みにより、ナトリウム・ベースの電池が定置型エネルギー貯蔵のユースケースで性能、リサイクル性、持続可能性の向上を実証できるようになる。
素材
構想された貯蔵技術は、持続可能な電池材料を採用し、供給リスクと制限、および環境への影響を軽減するが、これらは現在、リチウム・イオン電池などの他の技術に影響を与えている。この目的のために、バイオマス由来の硬質炭素とシリコン炭窒化セラミック(SiCN)が、それぞれナトリウム･イオン電池とナトリウム金属電池の負極材料候補として選択されている。は
バイオマス由来の硬質炭素陰極材料は、技術のスケーラビリティ、適度なコスト、および高い持続可能性を確保するために、大規模に入手可能な適切なバイオ前駆体を使用して調製されている。熱分解、構造特性評価、電気化学的性能によってさまざまな炭素源をスクリーニングした後、容量とサイクル安定性、および効率的な合成条件の観点からさらに最適化するための前駆体としてリグニン・スルホン酸塩とトウヒのおがくずが選択された。
SiCNをベースにしたセラミックはナトリウム金属電池向けにテストされており、効率的なセラミック・マトリックスによって強化された安定した可逆的なナトリウム・メッキの有望な結果を示している。さまざまな熱処理により、SiCNマトリックスの多様な形態と多孔性の生成に成功した。その中で、1,000℃で合成されたSiCNは、メッキ能力と挿入能力の両方、および生産努力の面でも最も有望な選択肢として浮上している。その安定化は、メッキされたナトリウム量を制限することによって得られた。SiCN陰極材料の電気化学的性能に対するセラミック・マトリックスの気孔率の影響を議論する詳細な説明は、SIMBAの出版物に記載されている。
SIMBAプロジェクトは、層状酸化物とプルシアン・ブルー類似物を陽極材料として調査している。この電池部品は、主に原材料コストの上昇とリチウム・イオン電池の倫理的/環境的概念の影響を受ける。そのため、ナトリウム、鉄、窒素、炭素の組成により、陽極材料の費用効果が高く環境的に持続可能なオプションを表すプルシアン・ホワイト・システムに特に焦点が当てられている。最近の結果は、PWハーフセルが1,000サイクル以上後に80％の容量保持を維持することを示した。
SIMBAはまた、リチウムからナトリウム・イオン技術への移行と、全固体電池の液体から固体電解質への移行という課題を結びつけている。ナトリウム・フルセル構造に単一イオン伝導性高分子電解質を組み込むことは、電池の安全性を大幅に向上させる野心的な目標である。
再利用
全ての材料および製品開発プロセスは、SIMBA内で製造された電池のリサイクル性と再利用に焦点を当てたリサイクル・プロセスに関する革命的な研究によって影を落としている。
廃棄物の流れの中の汚染物質の軽減、および直接リサイクルのための技術のために、電池分解手順が検出されている。これは、分解、分離、リサイクルの設計、および材料抽出のための裁断プロセスと後処理の最適化の詳細な分析を意味する。基本的なプロセスには、不活性雰囲気下での機械的開口、機械的精製、およびフラクションの篩い分けが含まれる。
クライオ層間剥離アプローチを使用して電極材料を他の電池成分から正常に分離する先駆的なシート層間剥離技術が、黒色塊のより効率的な再生のために実装された。再製造および再利用のための回収されたPW陽極材料の再ソディエーションにさらなる努力が払われている。
検証
SIMBAプロジェクト・パートナーは、ナトリウム･イオン電池に適したさまざまな定置型エネルギー貯蔵用途の包括的な分析を実行し、これらの実装の特定の要件を評価することにより、最終技術を検証するための主要業績評価指標を使用してユースケースを策定した。さらに、エネルギー貯蔵用途用に設計された電池システムが満たされなければならない基本的な要件とパラメーターを概説する包括的なフレームワークも確立した。
エネルギー最適化システムの例としては、自家消費の最大化、ピーク需要の管理、負荷シフトの促進などの目的で電池を利用する住宅施設があり、これらはすべて長期間にわたって行われる。
定置型エネルギー貯蔵用途用の移動式イオン電荷キャリアーとしてナトリウムを使用する。費用対効果が高く安全な全固体電池を開発するという主な目標を達成するために、SIMBA技術は、エネルギーと電力を要求する用途の両方で検証され、3つの選択された特定のユースケースの要件に適合する。
● テレコム電源システム
● 小規模な家庭用電池を含む再生可能な太陽光発電および風力用途用の電池
● 発電、送電、配電用のDC電源ソリューション(低周波調整)。
SIMBAプロジェクト・コンソーシアム
ナトリウム･イオン電池やナトリウム金属電池の開発における最も重要な課題に1つは、リチウム・イオン電池と比較して、リチウム陽イオンの半径0.76 Åと比較してナトリウム陽イオンの半径が1.02 Åと大きいことである。この特徴は陽イオンの局所構造とそのダイナミクスに影響を与える。
次世代ナトリウム・ベースの電池の合理的で知識主導の設計には、微視的なレベルを完全に理解することが重要である。この深いレベルの理解は、高度な分析技術と、局所構造と材料内部の電気化学的および輸送プロセスの詳細な量子化学モデリングとの間の非常に緊密なコラボレーションによってのみ得られる。
緊密な連携は、固体のex-situ測定とin-situ測定の4つのレベル間で行われる。原子モデリング；メゾスコピックモデリング；等価回路モデルレベル；電気化学的特性である。最後のレベルは前のレベルの成果に基づいており、この強力な相互接続のために、SIMBAは、電極材料の専門知識で有名な業界リーダーと協力して学術主導のコンソーシアム(5つの大学と4つの研究機関)内の協力に依存している。
次の機関が含まれる：
● ダルムシュタット工科大学は、SIMBAプロジェクトの科学的管理と調整、イオン輸送と界面特性、および材料開発をカバーしている。
● ウプサラ大学は、材料の開発と特性評価に関する基礎研究を扱っている。
● バーミンガム大学は、サーキュラー・エコノミー電池と材料ライフサイクルの設計を担当している。
● ウォーリック大学は、電極と電池のアセンブリと電池の製造を担当。
● カールスルーエ技術研究所は、高分子電解質の開発とLCA分析に焦点を当て、ラボ規模の材料およびプロセス開発を主導している。
● エネルギー技術研究所は、バイオマス由来の硬質炭素アノードの開発と製造を扱っている。
● スロバキア科学アカデミー 無機化学研究所は、材料開発(多孔質セラミック陽極)に関する活動を共有する。そして
● フラウンホーファー・ソラーレ・エネルギー・システム研究所は、再利用とリサイクル、BMSとセンサーの開発と統合を含むKPIとユースケースの仕様を担当している。
電池評価による材料の入手可能性から、生産および高級化のあｔめの施設まで、産業サポートは以下によって提供される。
● Johnson Matthey PLC、2022年12月までコンソーシアムのパートナー。カソード材料に関連してそれぞれの研究は、TUDaの監督下で継続されている。
● Elkem AS、アノード材料の製造業者および供給業者。
● YUNASKO-UKRAINE LLCは、電池性能テスト、モジュール設計、検証、およびデモンストレーションを担当している。
● 安全、技術仕様の検証、最終的な使用仕様、および電池安定性評価を扱う。
● Altris AB、PWカソード材料の製造業者および供給者。
● TES Recupyl SAS、電池材料の再生と再利用。そして
● Uniresearch BV、普及、搾取、コミュニケーション、およびデータ管理を主導している。
さらに、このプロジェクトは、エネルギー販売業者、エネルギー貯蔵システムの生産者、および研究機関で構成される外部諮問委員会によってサポートされている。
展望
SIMBAプロジェクトの最初の2年間の活動で、次のマイルストーンが達成された。
● 主要業績評価指標の定義
● SIMBAベースライン電池の生成は、プロジェクトの開始から1ヶ月後に1 Ah A7多層パウチ電池が製造およびテストとされ、成功裏に達成された。
● In-situ固体NMRのセットアップは12ヶ月後に確立された。
● クライオ層間剥離技術が開発された。
● 単一イオン伝導性高分子電解質アップスケール生産のための材料最適化。そして
● SIMBA電池にさせの材料の選択。2023年7月までに得られた有望な成果は、SIMBA電池の生産ラインの形成が将来検討できるところ明確に示している。
