ナトリウム･イオン電池に関する技術経済分析：概要と将来展望
Techno-Economics Analysis on Sodium-Ion Batteries: Overview and Prospective
https://link.springer.com/ 2024.02.06
要約
ナトリウム･イオン電池は、豊富な資源、高い費用対効果、高い安全性を考慮すると、魅力的な電気化学エネルギー貯蔵システムと考えられている。したがって、ナトリウム･イオン電池は、経済的に有望なリチウム・イオン電池の代替品になる可能性がある。但し、リチウム・イオン電池の材料、セル、モジュールのコストに関する文献はいくつかあるが、ナトリウム･イオン電池に関する分析は比較的少ない。さらに、ナトリウム･イオンに関するほとんどの研究は、材料の準備と電極/電解質のコストに焦点を合わせており、セルまたは電池システム全体のコストは考慮されていない。したがって、コスト分析がないため、この貯蔵技術の長期的な実現可能性を評価することは困難である。この文脈で、この焦点の章では、最近の文献のレビューに基づいて、ナトリウム電池に関する予備的な技術経済分析を示す。ナトリウム･イオン電池の価格に影響を与える主な材料/コンポーネント、および現在その開発を制限している主要な課題と実用展開の利点を調査する。結果は、競合するリチウム・イオン技術の結果とも比較される。
１ ナトリウム･イオン電池の基本原材料
世界の電池需要は、2025年までに年間1000 GWh近くに達し、2030年までに2600 GWhを超えると予想されている。リチウム・イオン電池の拡張性は選択肢の1つであるが、リチウム鉱物の不足が深刻化し、世界中で分布が不均一になっているため、リチウム・イオン電池の長期的な開発が制限される可能性がある。実際、電池用途によって推進される原材料需要は、今後数年間で前例のない成長を遂げると予想されている。詳細には、2030年に向けてこの成長の影響を最も受けるのは4つの電池金属である。リチウムは6倍、コバルトは2倍、クラス1ニッケルは24倍、マンガンは1.2倍である。
このような状況において、ナトリウム･イオン電池は、豊富な資源、高い費用対効果、高い安全性を考慮すると、重要な代替手段となる可能性がある。
初期のナトリウム･イオン電池開発は、1970年代から1980年代にかけてリチウム・イオン電池開発と並行して行なわれた。その後、1990年代から2000年代にかけて、より高いエネルギー密度のリチウム・イオン化学により、ナトリウム･イオン電池開発は大幅に減速した。
一方、モビリティ、モバイル・エレクロニクス、および供給側の供給が限られている固定用途からの需要の急速な増加に関連するリチウム・イオン基本原材料の入手可能性と価格の問題により、最近、研究論文数の急増からも分かるように、ナトリウム･イオン電池の研究が急速に話題になっている。
ナトリウム･イオン電池は、動作原理、一般的な電極材料、および電解質配合の点でリチウム・イオン電池と最も類似している。さらに、ナトリウム･イオン電池は原則としてリチウム・イオン電池製造ラインと同じ技術を使用できるため、開発コストと期間が短縮される。ナトリウム･イオン電池の動作原理はリチウム・イオン電池と同じであるが、電荷移動がリチウム・イオンではなくナトリウム･イオンに依存し、電極の酸化還元反応がリチウムではなくナトリウムを伴うという違いがある。両方の電極は金属集合体上に堆積され、液体電解質に浸されて電極間のイオンの移動が可能になり、電気的に非導電性の多孔質(イオン移動を可能にするため)層によって分離されて内部短絡が防止される。
さらに、ナトリウム･イオン化学により、ナトリウムと反応しないアルミニウムをアノードとカソードの両方の集電体として使用されている銅をこの方法で置き換えることができる。したがって、集電体を銅からアルミニウムに変更すると、セルのコストが大幅に削減されるだけでなく、特に有機溶液での過放電の問題にも対処し、電池の重量が軽減される。集電体の箔のコストシェアは、リチウム・イオン・セルの総コストで銅が11.6％、アルミニウムが2.7％である。ナトリウム･イオン電池で銅箔をアルミニウム箔に置き換えると、セル材料コストが約9％削減され、それに応じて電池コストが約3％削減される。この交換により、交換した箔に比べて質量が55％削減されるが、体積も50％増加する。
一方、市販のグラファイトは、インターカレーションの問題と安定したNa-C化合物の欠如により、ナトリウム･イオン電池のアノードとして直接使用できないため、ナトリウム･イオン電池は総価格に対するアノードの寄与が大幅に増加する可能性がある。ナトリウム･イオン電池の代替アノードとして一般的に提案されているのは硬質炭素であるが、単位質量および単位体積当たりのグラファイト中のリチウムよりもナトリウム特定の反応が少ない。実際、硬質炭素はグラファイトよりも比密度が低いため、より厚いラミネートが必要であり、不可逆容量も大きいため、より多くの活性物質が必要になり、コストが増加する可能性がある。
さまざまな研究で、硬質炭素をナトリウム･イオン電池のアノードとして使用することを検討したが、より実用的になるために、市販の硬質炭素の1 kg当たりの価格は入手できない。しかし、価格が高いのは高価な前駆体によるものであると報告されている。しかし、ナトリウム･イオン電池のコストを削減し、その性能を向上させるために、より安価な前駆体(セルロース、トウモロコシの茎、フェノール樹脂など)を使用して硬質炭素を低コスト/高収率で合成することに焦点を当てたさらなる研究がある。Vaalmaらは硬質炭素の価格として15ドル/kgを使用したが、硬質炭素の特性を向上させるための取り組みが行なわれていることを考慮すると、最大8ドル/kgまで下げることができる。
電解質については、違いは比較的小さい。電解質中のリチウム量は非常に少なく、それに応じて、より安価なナトリウム-塩を使用した電解質に置き換えることでコストを削減できる可能性も低い。
しかし、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較して、酸化還元電位が高い(標準水素電極と比較して、ナトリウムは-2.71 V、リチウムは-3.04 V)、原子質量が大きい(ナトリウムは23 g/mol、リチウムは7 g/mol)、サイズが大きい(ナトリウムとリチウムのシャノンイオン半径はそれぞれ1.02Åと0.76Å)など、いくつかの欠点があり、その広範な普及を遅らせている。これらの欠点により、理論上のエネルギー密度が低下する。セルレベルでは、これらの要因が性能の低下に寄与している。
2 ナトリウム･イオン電池コスト分析
リチウム・イオン電池の材料、セル、パックのコストに関する文献はいくつかあるが、ナトリウム･イオンに関する分析は比較的少ない。さらに、ほとんどの研究は、材料の準備と電極/電解質乃コストに焦点を合わせており、セル全体または電力システムのコストは考慮されていない。しかし、セル内のアクティブ・コンポーネント(カソード、アノード、電解質)のコストの割合は一般に50％未満であるのに対し、非アクティブ・コンポーネント(集電体、バインダー、セパレーターなど)のコストは、それらの電極材料よりもさらに高い。したがって、コスト分析がないため、この貯蔵技術の長期的な実現可能性を評価することは困難である。
現実的なコスト予測を行いには、特定のkWhの電池セルについて計算を行なう必要がある。ナトリウムはリチウムよりも分子量が大きくサイズが大きいため、理論上のエネルギー密度が低下し、セルレベルでのコストが増加する可能性がある。
ファラディオン社は、アルゴンヌ国立研究所のBatPaCモデル(ナトリウム・イオン電池技術を含む多くの一般的な正極化学の仕様を備えた、一般的に適用される電池コスト・モデル)を使用した詳細なコスト分析を実施し、製造規模での材料コストは150ドル/kWh未満になることを示唆している。これにより、ナトリウム技術のコストは、最も安価なリチウム技術と競合可能になる。ファラディオン社の12 Ahパウチセルのコンポーネントのコストの内訳は、アノード活性物質=26%、カソード活性物質=28％、電解質=12％、セパレーター=3％、電流コレクター=13％、パウチセル型電池を製造するためのその他のコンポーネント=18％である。
Hirshらは、送電網エネルギー貯蔵用のナトリウム･イオン電池の使用を調査し、さまざまなナトリウム･カソード化学に対するナトリウム･イオン・セルのコスト分析と、LiCoO2のコスト(kWh当りのドル)特定の比較を含めた。計算値は、ファラディオンの計算値と非常によく一致しており、コバルトを含まないナトリウム･イオン電池は、LiCoO2/グラファイト(kWh当り99ドルと計算)よりもkWh当りのドルで40％から60％コストが低いことを示している。著者らは、この大幅なコスト削減は遷移金属元素、特にCoとNiによるものだと考えている。ナトリウム･イオン・カソードでは、同じBサイト組成の同等のリチウム・イオン・カソードで見られるような性能への悪影響なしに、これらの元素を省略したり最小限に抑えたりすることができる。
Schneiderらは、リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池のコストと温室効果ガス排出量を比較し、NMC111|Cに基づく現在の自動車用リチウム・イオン電池セルのコスト(186ドル(kWh))は、評価されたナトリウム･イオン電池代替品よりも大幅に低いと報告している。著者によると、この結果は主にナトリウム･イオン電池の活性材料の比電荷と電圧が低いため、kWh容量当りの材料要件が高く、処理時間が長くなるためである。さらに、著者らは、温室効果ガス排出量に関して現在のリチウム・イオン電池が優れていることを示し、この事実も同じメカニズムによるものであるとしている。その結果、著者らは、ナトリウム･イオン電池が競争力を持つようになるには、リチウム・イオン電池と同様の性能が達成される必要があると述べている。
Vaalmaらは、同定数のセルを備えた11.5 kWh、7 kWの電池をモデル・システムとして、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池のコストを比較した。詳細には、著者らは3つの異なるリチウム・イオン電池化学組成(LMO-sG（合成グラファイトを使用したLiMn2O4）、NCM(622)-nG(天然グラファイトを使用したLi1.05(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0.95O2)、NCM-SiC(シリコン/カーボン複合体を使用したLi1.05(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0.95O2)と3つの異なるナトリウム･イオン電池化学組成(NMO-sHC(標準硬質炭素を使用したβ-NaMnO2)、ASC-PHC(リン-硬質炭素複合体を使用した先進的なナトリウム･イオン正極材料)、FSC-aPHC(先進的なPHCを使用した将来のナトリウム･イオン正極(ASCと比較して動作電圧が0.2 V増加)))のセル材料と電池コストを比較した。リチウム・イオン電池の化学組成は、エネルギー密度の向上とコストの低減を実現するリチウム・イオン電池の開発を示すために選択されており、ナトリウム･イオン電池の化学組成は、現在のナトリウム･イオン電池(NMO-sHC)、高度なナトリウム･イオン電池(ASC-PHC)、および将来のナトリウム･イオン電池(FSC-aPHC)の代表的な例である。
研究の結果を次の表14.1(省略)に示す。リチウム・イオン電池を比較すると、正極材料をLMOからNCM(622)に変更することで、セル材料の総コストの面で大幅なコスト削減が実現する。現在のナトリウム･イオン電池の一例であるNMO-sHCを考慮すると、調査した3つのリチウム・イオン電池と比較してセル材料のコストが大幅に増加することが報告されている。具体的には、sHCを使用すると、密度が低い(sHOでは1.50 g/cm3、グラファイトでは360 mAh/g)ため、アノード・コストも増加し、電池の目標エネルギーを達成するにはより多くの活性材料が必要になる。最後に、活物質の価格は、sHC(15ドル/kg)の方が天然グラファイト(10ドル/kg)よりも高くなる。一方、より高度なナトリウム･イオン電池を考慮すると、ASC-PHCとFSC-aPHCでは、より高い容量(sHCでは300 mAh/g、PHCでは700 mAh/g、aPHCでは900 mAh/g)のアノード材料を使用することで、大幅なコスト削減が計算され、特に、平均動作電位が硬質炭素22に比べて約0.2 V増加するにもかかわらず、より高い体積エネルギー密度を示す。必要な電解質の量が少ないため、コストが大幅に削減される。したがって、体積エネルギー密度の高いアノードおよびカソード材料の開発は重要である。これは導電性炭素とバインダーのコスト、特に電解質のコストが同時に大幅に削減されるためである。
電池パック全体に関してNMO-SHC電池は、ボリュームの増加、質量、コストなどのリチウム・イオン電池に関して異なる欠点を示している。一方、FSC-APCHセル化学はコストの点で」NCM(622)-SICと競合し、質量と量が多いが、これらのパラメーターは固定用途ではそれほど重要ではない場合がある。
しかし、著者が述べたように、最終電池のコストに対する寿命、エネルギー効率、および安定性の影響は分析では考慮されなかった。これらのパラメーターは貯蔵システムのコストに強く影響する。実際、例えば、約3,000ドルのコストと約5,000サイクルのサイクル寿命のNCMグラファイト電池は、LFP-LTO電池の2倍以上のキロワット時間(0.060 ドル/kWh)当りコストがかかる。費用は約5,000ドル、サイクル寿命は20,000サイクル(0.025ドル/kWh)である。
別の同様の研究は、Prismaticセルモデルから円筒形18,650セルモデルにBATPACを変更する国内特許出願により実施された。詳細に著者は、層状の酸化物ナトリウム･イオン電池セルを2つの異なるリチウム・イオン電池セル化学と比較した：リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト-酸化カソードと、リチウム-鉄-リン酸カソード。研究の結果は、リチウム-鉄-リン酸電池が貯蔵容量のkWh当りの価格(229ユーロ/kWh)を示し、223.4ユーロ/kWhのナトリウム･イオン電池が続くことを示している。一方、エネルギー密度が高いため、リチウム-ニッケル-マンガン-コバルト-酸化電池は最も安い(168.5ユーロ/kWh)。最終的なセルコスト(単一18,650セルごと)への電極材料の寄与を見ると、材料レベルでのナトリウム･イオン電池の利点がより明確になる。ここでは、ナトリウム･イオン電池は単一のセル当りの最低コスト(0.50ユーロ/セル)を示しているが、NMC型セルの材料は最も高価である(0．72ユーロ/セル)。しかし、これらは単一セル当りのコストであり、貯蔵容量を考慮していない。
さらに、原材料価格の変動は電池メーカーにとって主要な懸念要因であるため、著者らは原材料価格のさまざまな感度分析を実施している。結果は、グラファイト/硬質炭素価格の変動に対する高い感度を示している。これは、ANODEアクティブ材料のシェアが高くなっているナトリウム･イオン電池にとってより深刻である。カソード材料に関しては、コバルトとニッケルで最も高い変動を観察できる。リチウムと銅は最終的なセル価格に強い影響を与える価格変動にもかかわらず、過去10年間で大きく変動しなかった比較的安定した金属である。しかし、最近のリチウム価格の上昇は重要であり、電池需要の増加によって引き起こされる可能性があり、以前に述べたよりもリチウム・イオン電池価格の潜在的に強い影響をもたらす。したがって、実際のNMC価格の現在のニッケル市場価格への高い依存関係とコバルト市場価格は、将来の価格予測に大きな不確実性を生み出す。この状況は、カソードのニッケル含有量が高いため、ナトリウム･イオン電池にも影響を与えるため、代替のニッケルを含まないナトリウム･イオン電池カソード化学は、この点で興味深い選択肢になる可能性がある。
現時点では、リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の費用対効果の直接的な比較は不可能である。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と同等の規模で生産されていないためである。実際、これらのシステムの商業化と生産は、リチウム・イオン電池と比較してまだ非常に幼児期にあるが、現在、いくつかのニッチ用途用の商用ナトリウム･イオン電池を開発している世界中の企業はほとんどない：
● 2011年に設立されたFaradion Limitedは、世界で最初の非水生ナトリウム･イオン電池企業であった。これは、さまざまな材料、技術、およびシステム設計をカバーする20を超える特許ファミリ(2019)の所有者である。その主な製品は、硬質炭素アノードと液体電解質を備えた高エネルギー密度酸化物カソードを使用している。そのポーチセルは、セルレベルで140～150 Wh/kgを実証し、最大3Cの良好なレート性能と300(100％DOD)から1000(80％DOD)のサイクル寿命を示している。e-bikeおよびe-scooter用途の解決策の実行可能性を実証した。
● Tiamatは2017年にフランスで設立された。その解決は、セルレベルで100～120 Wh/kgのエネルギー密度を持つポリアニオン材料に基づく18,650セルである。同社は、モビリティと固定貯蔵の両方の使用のための高速充電用途をターゲットにしている。4000サイクル以上の耐久性と10Cレートの80％を超える保持率の速度能力が記録されている。同社は、eバイク、eスコーター、開始＆停止12 Vおよび48 Vの電池の作業プロトタイプを実証する。
● Novasis Energies, Inc.はテキサス大学オースチン校から生まれ、さたにアメリカのSharp Laboratoriesで開発された。カソードとしてのプルシアン・ブルー類似物とアノードとしての硬質炭素に基づいて、その電池は500サイクルの周期的安定性と10Cの速度能力を備えた100～130 Wh/kgを供給した。
● 中国アカデミーの物理学研究所からのスピンオフHina Battery Technology Co., Ltd.は、2017年に設立された。炭素アノードと120 Wh/kgを提供できる。2019年には、Hinaが中国頭部に30 kW/100 kWhのナトリウム･イオン電池を設置したことが報告された。2000サイクルのサイクル寿命を備えたそのナトリウム･イオン電池小型セルはeバイク、ミニ電気自動車、および家庭用エネルギー貯蔵システム用途で開発および実証されている。
● Altris AB:301は、ウプサラ大学とEIT Innoeneegyへのリンクを備えたÅngström Advanced Battery Centerのスピンオフ会社である。同社は、鉄ベースのプルシアン・ブルー類似物であるFennacⓇを販売している。FennacⓇを含む電池は、硬質炭素をアノードとして利用する。
● スタンフォード大学のスピンオフであるNatron Energyは、カソードとアノードの両方にプルシアン・ブルー類似物を使用するが、この場合は水性電解質を使用する別の新しく設立された会社である。有機ベースの電池の値よりも低いエネルギー密度値を犠牲にして、このセル構成により、30秒も短い走行時間を775 W/kg(または1550 W/L)の電力値を達成できる。セルは、総容量の約70％にアクセスし、テスト期間(6ヶ月)にわたって測定された6％の劣化のみで、12Cレートで25,000サイクルを超えるサイクルを実行できる。
