企業はリチウムの代替としてナトリウム電池を検討している
Firms Are Exploring Sodium Batteries as an Alternative to Lithium
https://www.livemint.com/ 2023.12.26
それらは小型電話や2トンの電気自動車に電力を供給する。これらは、風力発電所や太陽光発電所からの電気の流れをスムーズにする。ますます多くの系統蓄電システムの根幹を形成している。これらがなければ、地球温暖化による最悪の影響を回避するために必要な電化は想像を絶するものになるだろう。そして2019年には、先駆者のうち3人がノーベル賞を受賞した。
しかし、リチウム・イオン電池には欠点もある。その一例として、リチウムが不足している。また、層状酸化物正極を備えた最高のリチウム・イオン電池にもコバルトとニッケルが必要である。これらの金属も希少であり、コバルトの多くはコンゴ民主共和国で採掘されているため、コバルトにも問題がある。コンゴ民主共和国では、労働条件が十分とは言えない。2番目の種類のリチウム・イオン電池は、リン酸鉄リチウムを使用するいわゆるポリアニオン設計で、ニッケルやコバルトは必要ない。しかし、このような電池は、層状酸化物電池ほどkg当たりのエネルギーを蓄えることができない。
しかし、多くの企業は代わりにナトリウムを使って電池を作るという選択肢があると考えている。リチウムとは異なり、ナトリウムは豊富に存在し、海の塩の大部分を占めている。そして化学者達はリチウムではなくナトリウムを使用する層状酸化物陽極が、それを刺激するコバルトやニッケルなしでも機能することを発見した。したがって、ナトリウム電池を大規模に製造するというアイデアが注目を集めている。エンジニアは設計を微調整している。特に中国では工場が急増している。リチウム・イオン革命が始まって以来初めて、電池化学の台座におけるリチウムの地位が問われている。
大地の塩
アルカリ金属と呼ばれるグループのメンバーであるリチウムとナトリウムは、周期表の最大の列の水素の直ぐ下に位置している。アルカリ金属は反応性があることで有名である。(一部を水に落とすと、かなりのシュワシュワ音が起こる。また、爆発を引き起こすものもある。) これはアルカリ金属原子の原子核を取り囲む電子の最外殻には、単一の原子しか占有していないためである。これらの「価電子」は簡単に放出され、水の由来するヒドロオキシルイオンなどの負の対応物(アニオン)と結合できる陽イオン(カチオン)を生成する。その結果、水酸化リチウムや塩化ナトリウムなどの化合物が生成され、食塩としてよく知られている。
しかし、失われた電子が隣接する原子または原子群に直接飛び移るのではなく、ワイヤーを介して目的地まで送られ、カチオンが電解質と呼ばれる媒体を通って別々に移動する場合、結果として電池化学セルが誕生する。電子がワイヤーを通過する際に、そこからエネルギーを引き出すことができる。逆に、電流を流してプロセス全体を逆にすうると、セルを再充電できる。
これらすべては、リチウムと同様にナトリウムにも当てはまる。ナトリウムのコスト上の利点を考えると、化学者でない人は、そもそもなぜナトリウムがリチウムよりも好まれなかったのかと疑問に思うかもしれない。答は、11個の陽子、12個の中性子、および追加の電子殻を持つナトリウム原子は、リチウム原子(陽子3個と中性子3個)よりも大きくて重いということである。ナトリウム電池は、同じ容量のリチウム電池よりも大きく、重くなる。
小型かつ軽量であることは携帯電話にとって極めて重要であり、少なくとも自動車においては望ましい。しかし、それらはどこでも問題ではない。ナトリウム電池は、送電網規模の貯蔵、家庭用貯蔵、トラックや船などの重量輸送手段として機能する可能性がある。
興味があるかもしれない
中国の関心の一部は、2021年に開始された政府の現在の5ヶ年経済計画に由来しており、その計画はとりわけ、さまざまな電池の化学的性質を研究することを目的としている。ロンソンのBenchmark Mineral Intelligence社は、ナトリウム電池を製造または研究している中国企業36社をリストアップしている。これらの企業は、ほとんどの場合、自分のカードを慎重にプレイしており、4つのケースでは、ベンチマークの研究者がどの電池化学が関係しているかを正確に判断することさえできない。それにもかかわらず、集団のリーダーは福建省に本拠を置くCATLであるということで一般的に同意されている。
CATLはすでに世界最大の自動車用リチウム・イオン電池メーカーである。2021年には世界初の電気自動車用ナトリウム･イオン電池を発表した。中国の自動車メーカーである奇瑞は、間もなく発売されるiCARブランドで、一部のリチウム電池と並んでCATLのナトリウム電池を使用する予定である。
CATLの最大のライバルであり、それ自体が自動車メーカーであるBYDも同様に積極的である。4月の上海モーター・ショーで発表された同社のハッチバック「シーガル」にも、まもなくナトリウム･イオン電池が搭載される予定である。別の老舗電池メーカーであるFarasis Energyは、Jiangling Motorsと提携した。ナトリウム･イオン電池の開発を目的として設立されたHiNa Battery Technology社は、さらに別の自動車メーカーであるJACグループと協力している。長城汽車の子会社であるSvoltは、親会社に既存の自動車パートナーを抱えている。
Benchmarkによると、これら5社は他の22社とともに層状酸化物陰極を使用している。(未知の4社を除けば、残りの企業はポリアニオン設計か、プルシアン・ブルーと呼ばれる鉄含有物質を使用する3番目のアプローチのいずれかに取り組んでいる)。そして、ここでコバルトとニッケルが登場する。経験上、コバルトやニッケルのイオンを含む酸化物層(安価で採掘に議論の余地のないマンガンの酸化物層)が、最良のリチウム電池の正極をもたらすことが分かってきた。
コバルトとニッケル(マンガンと鉄も)は、複数の価電子を持ついわゆる遷移金属である。リチウム・イオンとナトリウム･イオンは常に単一の正電荷を持っているが、コバルトは、例えば、+2または+3の電荷を持つイオンを形成できる。電子が層状酸化物電池の正極に到達すると、遷移金属イオンと反応して、その正電荷が1つ減少し、正味の負電荷が生成される。アルカリ金属イオン(正に帯電))が結晶構造内に移動して、電荷のバランスをとる。
ナトリウム電池では、層状酸化物陽極はマンガンと鉄だけで作ることができる(ただし、性能を向上させるために銅やチタンなどの金属を添加することもある)。その理由は完全には明らかでない。ドイツのカールスルーエ工科大学のDominic Bresserは、ナトリウム原子のサイズが大きく、電子的性質がやや異なるため、より広範囲の結晶に適合できるためだと考えている。答が何であれ、実際的な結果は材料コストの大幅な削減である。この柔軟性により、リチウム・イオンでは達成が難しい高出力などの特性を備えたナトリウム･イオン電池の設計も可能になる。
スターティング・グリッド(スタートライン)
Benchmarkの調査アナリストRory McNultyによると、中国企業は国内に34のナトリウム電池工場を建設、建設中、あるいは発表しており、マレーシアでも1工場が計画されているという。対照的に、他の地域の老舗電池メーカーはまだあまり関心を示していない。しかし、指針となる5ヶ年計画がなくても、一部の非中国系新興企業は、技術の向上やコスト削減、あるいはその両方を期待して、層状酸化物の代替品を開発して先手を奪おうとしている。
これらの新興企業の中で最も興味深い企業の1つは、カリフォルニア州サンタクララにあるNatron Energyである。プルシアン・ブルーのアプローチをとっている。一般的な染料であるプルシアン・ブルーは安価である。しかし、Natronはことによって電池の耐用年数が延びることを期待している。少なくとも現時点では、ナトリウム･イオン層状酸化物陽極の耐久性は、対応するリチウム・イオン陽極に比べて劣る。Natronは、自社のセルが50,000サイクルの充放電に耐えられると主張しているが、これは市販のリチウム・イオン電池の10倍から100倍である。同社はミシガン州に工場を建設し、今年後半に生産を開始する予定である。
単一の中国以外の企業はそれほど進歩していないが、希望に満ちている。同じく工場を建設中のスエーデンのAltrisは、プルシアン・ブルーの鉄の一部をナトリウムに置き換えたプルシアン・ホワイトと呼ばれる材料を採用している。フランスのTiamat社は、バナジウムを含むポリアニオン設計を採用している。そしてイギリスのFaradion社(現在はインド企業Relianceの傘下)は、層状金属酸化物システムに固執するつもりである。
事態がどのように展開するかはまだ分からない。McNulty博士は、少なくとも短期的には注意を呼び掛ける。電池技術が成熟するには時間がかかる (リチウム電池に関する最初の研究は1960年代に溯る) 。Benchmarkは2030年のナトリウム電池の製造能力は年間約140ギガワット時の貯蔵量になると予測している。しかし同社は、実際にセルを量産できるのはこの容量の半分強だけだと考えている。これは同年のリチウム電池生産予測の2％に相当する。
それでも、ナトリウム電池は魅力的に見える。送電網蓄電に関しては、リン酸鉄リチウム電池との深刻な競合相手のように見えるが、バナジウム・フロー電池などの他の新しいアプローチとも競合する必要がある。トラックや海運市場における主なライバルはおそらく水素燃料電池だが、これらは水素を供給するためのまだ構築されていないインフラに依存する未検証の技術である。
電気自動車や航空機など、重量に敏感で価値の高い用途の場合、その将来はそれほど不確実ではない。重要な要素は材料価格であろう。リチウム、コバルト、ニッケルの探査によって、これらを抑制するのに十分な量の新しい鉱山が創出されれば、ナトリウム電池が蓄えることができるkg当たりのエネルギー量を増やすために科学者や技術者にお金を払うインセンティブは蒸発するかもしれない。しかし、これらの金属の価格が高止まりすれば、ナトリウムに関しては日当たりの良い高地が手招きする可能性がある。
