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電池のリチウムに代わる環境に優しいナトリウム

Sodium as a Green Substitute for Lithium in Batteries

By Michael Schirber

https://physics.aps.org/          2024.04.25

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図の掲載は容量不足を来たすので省略した。

　ほとんどのラップトップや電気自動車の電池に含まれるリチウムの持続可能性への懸念から、ナトリウム・ベースの電池開発変形能力関心が最近、急上昇している。

　この記事は2024年のEarth Weekを記念して、Physics Magazineが発行する持続可能な電池技術の進歩に関する一連の」急上昇の一部である。

　1870年の小説「海底20,000マイル」の中で、作家ジュール・ヴェルヌはナトリウム電池を動力源とする潜水艦を想像した。いくつかの電池会社がリチウム・イオン電池のより環境に優しい代替品としてナトリウム･イオン電池の製造を始めたため、その考えが再浮上している。ナトリウムは元素の周期表でリチウムのすぐ下にあり、これらの化学的挙動は非常に似ていることを意味する。この化学的な関係により、ナトリウム･イオン電池は設計と製造技術の点でリチウム・イオン電池の「後追い」をすることができる。電動工具と自動車の両方でのナトリウム･イオン電池の最近の実証は、技術の急速な進歩を浮き彫りにした。

　「ナトリウム・イオン技術は実際にはリチウム・イオン技術のクローンである。」と電池技術に35年間取り組んできたフランス大学のJean-Marie Tarasconは言う。ナトリウム･イオン電池の開発はリチウム・イオン電池に比べて遅れているが、リチウムとその関連材料の採掘と輸送に対する環境上の懸念の結果、過去10年間でナトリウムへの関心が高まっている。ナトリウムはリチウムの1000倍豊富に存在し、サプライチェーンを縮小し、電池コストを下げる可能性があるとTarasconは言う。ナトリウム･イオン電池のその他の利点には、高出力、低温動作などがある。

　しかし、ナトリウム･イオン電池には欠点もあり、最上位の電池はリチウム・イオン電池よりもエネルギー密度が低いのである。エネルギー密度は電気自動車の航続距離に直接影響するため、ナトリウムを燃料とする自動車は、長距離を走行できる大型自動車を求める消費者にアピールするのが難しい可能性がある。エネルギー密度が低いと、対応するリチウム・イオン技術と同じ量のエネルギーを供給するにはより多くの電池が必要になるため、ナトリウム・イオン技術が環境に与える全体的な影響にもかかわらず影響する。

　しかし、20年間電池技術に研究してきたシカゴ大学のShirley Mengは、ナトリウム･イオンを利用した製品の最近のリリースにより、エンジニアが現実世界の状況からのデータを入手できるようになるため、開発が加速されるであろうと述べている｡「最高のナトリウム･イオン電池が10年以内にリチウム・イオン電池と同じように機能することに疑いの余地はない。」とMengは言う。

電池101

　1980年代に開発され、2019年のノーベル化学賞でも認められたリチウム・イオン電池は、世界で最も一般的に使用されている電池に1つになった。ほとんどの電話やラップトップに電力を供給しており、電気自動車の生産の急増を推進している。ほとんどの電池と同様、リチウム・イオン電池は、正極、負極、およびこれらの2通常の間のイオン輸送媒体(電解質)という3つの主要コンポーネントで構成される。各コンポーネントに使用される材料にはさまざまな選択肢があるが、最も一般的な設計では、グラファイト(カーボン) で作られている負極、コバルト酸リチウムやマンガン酸化物などのリチウム含有金属酸化物からなる正極、そしてリチウム系塩と有機溶媒を組み合わせた電解質で作られている。

　電池が動作中(放電中)、リチウム・イオンが負から出てきて、電解質を通って正極に移動し、そこで吸収される。リチウム・イオンが正極に入ると、基本的に接続線から正極に電子を「引き込む」化学反応が起こる。充電中、電子が正極から流出し、リチウム・イオンが開放されて負極に戻る。

　リチウム・イオン電池には多くの魅力的な特性がある。何よりも先ず、充電可能であり、一般的な鉛蓄電池のエネルギー密度が30～40 Wh/kgであるのに対し、100～300 Wh/kgという高いエネルギー密度を持っている。この密度の高さは、ラップトップや携帯電話の電池が負担にならずに1日中接続することを意味する。電気自動車の場合、一般的な電池の重さは250 kgで、供給できるエネルギーは約50,000 Whで、これは通常200マイル(320 km)走行するのに十分である。多くの環境活動家は、この機能が化石燃料から移行するための切符であると考えている。

　しかし、リチウム・イオン電池のすべてが環境活動家の夢であるわけではない。リチウムの抽出には資源が大量に消費され、一部の金属成分の採掘は汚染を引き起こすため、主な問題は材料に関係している。また、今日のリチウム・イオン電池のリサイクル・インフラも不足しているとMengは言う。「現在のリチウム・イオン電池製造方法の二酸化炭素排出量と持続可能性は理想的とは言えない。」

　環境への懸念に加え、世界のリチウム豊富な地域の数が限られていることもあり、電池市場は非常に不安定である。例えば、新型コロナウイルスのパンデミックの最中にサプライチェーンが遮断され、リチウムの価格が高騰した。ニッケル、銅、グラファイトなど、同じく資源が限られている他のリチウム・イオン電池材料についても同様の懸念がある。

　リチウム・イオンの代替品には、固体電池(液体電解質が固体電解質に置き換えられる)とマグネシウム･イオン電池(マグネシウム･イオンがリチウム・イオンに置き換えられる)が含まれる。これらおオプションのほとんどはまだ開発中である。そして、それらの中には、リソースの可用性に関して問題を抱えている人もいる。

　対照的に、ナトリウムは海水中に豊富に含まれている。(しかし、より利用可能な供給源は、世界の多くの地域に見られるナトリウム灰鉱床である)。また、ナトリウムはリチウムと多くの化学的性質を共有しているため、ナトリウム･イオン電池は急速に開発され、すでに商品化されている。「他のリチウム・イオン代替品と比較すると、ナトリウムが最前線にあると思う。」とドイツのカールスルーエ工科大学とヘルムホルツ研究所ウルムで電池の環境への影響を評価しているMarcel Weilは言う。

2つのイオンの物語

　ナトリウム･イオン電池は新しいものではない。リチウムとナトリウムの系は1980年代まで同様に研究されてきた。研究者がリチウム・イオン電池で画期的な進歩を遂げ始めたとき、2つの技術に対する関心は分かれた。1990年代までに、ナトリウム･イオン電池の研究はほとんど中止された。しかし、Tarasconを含む一部の企業は、リチウム・イオン・システムを開発しながらも、この技術に手を出し続けた。2012年、Tarasconはフランスでのナトリウム･イオン研究の再開を支援した。彼の推論は、ナトリウムがより持続可能であるように見えると言うものであった。「少なくとも私にとっては、グリーン・テクノロジーが将来的に重要な役割を果たすことは明らかであった。」と彼は言う。

　しかし、ナトリウム原子とリチウム原子には違いがあり、そのうち2つは電池の性能に関係する。最初の違いは、化学反応において原子または分子が電子を獲得または失う傾向を特徴付けている。いわゆる酸化還元電位にある。ナトリウムの酸化還元電位は2.71 Vで、リチウムの酸化還元電位よりも約10％低く、これは、ナトリウム･イオン電池が供給するエネルギー(正極に到達するイオン毎に)がリチウム・イオン電池よりも少ないことを意味する。2番目の違いは、ナトリウムの質量がリチウムの3倍であることである。

　これらの違いにより、ナトリウム･イオン電池のエネルギー密度はリチウム・イオン電池よりも少なくとも30％低くなる。電気自動車への応用を考えると、このエネルギー密度の低さは、ナトリウム･イオン電池では、同様のサイズのリチウム・イオン電池と同じくらい遠くまで走行できないことを意味する。このゴルフ練習場に関しては、「ナトリウムはリチウムに勝てない」とTarasconは言う。

　電池の全体的な環境への影響を考慮する場合、エネルギー密度も問題になる。Weilらは、温室効果ガス排出量や資源使用量などの多くの環境要因を調べて、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池の比較を実行した。ナトリウム･イオン電池は地球の限られた資源をあまり必要としないが、現在、生産中に同等のエネルギー相当のリチウム・イオン電池よりも多くの温室効果ガスを放出する。その理由は、同じ量のエネルギーを生成するには、より大量の材料を電池に加工する必要がある。

　Weilは、この報告書は現在のスナップショットを提供しており、やがてナトリウム･イオン電池の環境への影響は改善される可能性が高いと述べている。「我々は、現在のリチウム・ベースのシステムよりも全体的なパフォーマンスがさらに優れていると確信している。」と彼は言う。

リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の比較。列は左から右に、地殻中のリチウムとナトリウムの存在量(1001万分の1)、エネルギー密度(kg当たりのワット時)、電池寿命(充放電サイクル数)、電池生産からの温室効果ガス排出量(二酸化炭素排出量に相当するkg)、および資源使用量(電池材料の存在量すべてを考慮した計算の基づく、元素アンチモンの等価グラム単位)を示している。値は特定の電池設計に適用されるため、すべての電池に対して正しいとは限らない。

　2つの元素には対照的にも違いがあり、その内の幾つかはナトリウムに有利に働く。例えば、ナトリウム･イオンはリチウム・イオンよりも電池材料中を速く移動できるが、ナトリウムが重いことを考えると、これは直感に反しているように思えるかもしれない。Tarasconは、ナトリウム･イオンには拡散した電子雲があり、そのため電荷が非常に集中しているリチウム・イオンよりも原子間を容易にすり抜けることができると説明している。ナトリウム･イオンの動きが速くなると、ナトリウム･イオン電池の出力が高まり、充電が速くなる。

価値のある電池

　ナトリウム･イオン電池を設計するための現在の戦略は、リチウム・イオン電池のそれに似ている。負極には、ほとんどの設計でリチウム・イオン電池のグラファイトに似た「硬質炭素」が使用されている。炭素のオプションはリチウムに使用されるものに似た3種類の材料(金属酸化物層、ポリアニオン化合物、およびプルシアン・ブルー類似体)に分類できる。そして、電解質は有機溶媒の同様の混合物である。

　いくつかの研究チームは、これらの化合物がリチウム・イオン電池に与える高いエネルギー密度を生成するために、正極用のナトリウム・ベースの層状酸化物の作成を試みてきた。Tarasconと彼の同僚は別の戦略を取った。彼等は高出力電池の製造に有望な材料であると考えられてポリアニオン化合物、つまりフッ化リン酸バナジウム・ナトリウムをターゲットにした。そして、その掛けは功を奏したようである。昨年、Tarasconが科学顧問を務めるTiamatは、商用製品(車両ではなくコードレス電動ドリル)に初めて使用されるナトリウム･イオン電池を生産した。同社のウェブサイトによると、電池は5分以内に充電でき、長時間(5000サイクル以上)持続できるという。

　いくつかの大手電池メーカーも、電気自動車市場をターゲットにおいたナトリウム･イオン・プロジェクトを発表した。例えば、中国の大手電池会社CATLは昨年、エネルギー密度160 Wh/kgの第一世代ナトリウム･イオン電池が中国企業奇瑞汽車の電気自動車に搭載されると発表した。最近、電池メーカーのHiNaとFarasis Energyによって同様の取引が発表され、いくつかのナトリウム･イオン駆動車両のプロトタイプが最近、組み立てラインから出荷された。Mengは、両社が実際の運転条件下でデータを収集することになるため、こうした開発は「非常に心強い」と述べた。「その情報は電池をより良くするために不可欠である。と彼女は言う。

社会学的スイッチ

　しかし、ナトリウム･イオンを動力源とする電気自転車が広く普及するには時間がかかるかもしれない。1つのハードルは経済面である。CATLの広報担当者は「リチウム価格が比較的低い水準に戻ったため、ナトリウム･イオン電池の競争力が低下している。」と述べた。さらに、ナトリウム･イオン電池はエネルギー密度が低いため、最初のターゲット市場は小型車や二輪車になる可能性が高いと彼等は言う。

　やがてナトリウム･イオン電池は改良されるであろうが、航続距離が最上位のリチウム・イオン電池を超えることは決してないであろう。とTarasconは言う。その代わりに同氏は､ナトリウム・イオン技術が、小型の1人乗り電気自動車や航続距離がわずか30～50マイル(50～80 km)の自動車用の電池など、特定のニッチ市場を埋めるだろうと想像している。Weilも同意するが、社会は自動車に対する見方を変える必要があるかもしれないと言う。「技術開発者を指して「もっと効率が必要である」というだけではだめである。人々が小さな車で満足するという「充足感」がもっと必要であることを強調することがさらに重要である。」と彼は言う。

　しかし、化石燃料の消費量を削減し、気候変動と戦うためには、ナトリウム･イオン電池が優勢であるか、リチウム・イオン電池が優勢であるかにかかわらず、世界はより多くの電池技術の選択肢を必要としている、とMengは言う。「我々がいつか魔法の分子によって太陽光や風力を蓄え、必要な時に電気を使えるようになると何時も夢見ているとしたら、実際に前向きな変化を起こす絶好の機会を逃してしまうのではないかと心配である。」