ナトリウム･イオン電池 － リチウムの有力な代替品？
Sodium-Ion Batteries – A Viable Alternative to Lithium?
By Marija Maisch
https://www.pv-magazine.com/ より 2024.03.22
ナトリウム･イオン電池の価格は再び下落しているが、ナトリウム･イオン・エネルギー貯蔵への関心は衰えていない。セル製造能力の世界的な増強が進行中であるが、この有望な技術が需要と供給のバランスを変えることができるかどうかは依然として不明である。
自動車からエネルギー貯蔵までの業界がこの技術に大きな賭けをしているため、ナトリウム･イオン電池は商業化の重要な時期を迎えている。既存の電池メーカーと新規参入企業が、リチウム・イオンに代わる実行可能な代替品を求めて研究室から工場へせめぎ合っている。後者の電動モビリティと定置型貯蔵の標準では、新しい技術が実証済みの利点を提供する必要がある。ナトリウム･イオン電池は、優れた安全性、原材料コスト、および環境認証を備えているため、適切な位置にあるように見える。
ナトリウム･イオン装置は重要な材料を必要とせず、リチウムの代わりに豊富なナトリウムに依存し、コバルトやニッケルも使用しない。材料不足が予想される中、2022年にリチウム・イオン価格が上昇する中、ナトリウム･イオンがライバルとして浮上し、リチウム・イオン価格が再び下落し始めたにもかかわらず、依然として関心は高い。
Benchmark Mineral Intelligenceのシニア・アナリストEvan Hartleyは、「当社は現在、2030年までのナトリウム･イオン電池生産能力335.4 GWhを追跡しており、この技術への取り組みが依然として相当なものであることを強調している。」と述べた。
2023年5月、ロンドンを拠点とするコンサルタントは2030年までの150 GWhを追跡してきた。
より安い
大規模に生産されたナトリウム･イオン電池は、主に豊富なナトリウムと低い抽出および精製コストのお陰で、主要な定置型蓄電池技術であるリン酸鉄リチウム電池よりも20％から30％安価になる可能性がある。ナトリウム･イオン電池では、負極集電体にリチウム・イオンで使用される銅の代わりにアルミニウムを使用できるため、コストとサプライチェーンのリスクがさらに削減される。しかし、これらの節約にはまだ可能性がある。
「ナトリウム･イオン電池が既存の鉛蓄電池やリン酸鉄リチウム電池に対抗する前に、業界関係者は技術的性能を向上させ、サプライチェーンを確立し、規模の経済を達成することで技術コストを削減する必要がある。」とイギリスに拠点を置く市場調査会社ID TechEXシニア技術アナリストShazan Siddiqiは述べた。「ナトリウム･イオンのコスト上の優位性は、生産規模がリチウム・イオン電池セルに匹敵する製造規模に達した場合にのみ達成される。また、炭酸リチウムの価格がさらに下落すると、ナトリウムが提供する価格上の利点が薄れる可能性がある。」
高性能を優先する用途では、ナトリウム･イオンがリチウム・イオンの取って代わる可能性は低く、代わりに定置型蓄電池や超小型電気自動車に使用されるであろう。S&P Globalのアナリストは2030年までに電池市場の80％がリチウム・イオンで供給され、そのデバイスの90％がリン酸鉄リチウム電池ベースになると予想している。ナトリウム･イオンが市場の10％を占める可能性がある。
正しい選択
研究者達は20世紀半ばからナトリウム･イオンについて検討しており、最近の開発には新しい負極材料正極材料だけでなく、貯蔵容量やデバイスのライフサイクルの改善も含まれている。ナトリウム･イオンは対応するリチウムよりも大きいため、ナトリウム･イオン電池の電圧は低くなり、重量および体積エネルギー密度も低くなる。
ナトリウム･イオンの重量エネルギー密度は現在、約130 Wh/kg～160 Wh/kgであるが、将来的には200 Wh/kgを超え、リン酸鉄リチウム電池の理論的限界を超えると予想される。しかし、電力密度の観点から見ると、ナトリウム･イオン電池は1 kw/kgを実現でき、ニッケル、マンガン、コバルトの340 W/kg～420 W/kgやリン酸鉄リチウム電池の175 W/kg～425 W/kgよりも高くなる。
ナトリウム･イオン電池の寿命は100～1,000サイクルで、リン酸鉄リチウム電池よりも短いが、インドの開発会社KPITは、セルの化学的性質に応じて6,000サイクルで80％の容量維持という寿命がリチウム・イオン電池と同等であると報告した。
ID TechExのSiddiqiは、「ナトリウム･イオン電池には、唯一の勝利の化学反応がまだ存在しない。」と述べている。「実験室段階を超えた拡張性を可能にする完璧な負極／正極活物質を見つけるために、多くの研究開発が行われている。」
Siddiqiは、アメリカに本拠を置く安全科学団体Underwriter Laboratoriesに言及し、「したがって、ナトリウム･イオン電池のUL標準化はまだしばらく先のことであり、そのためOEMはそのような技術に取り組むことを躊躇している。」と付け加えた。
プルシアン・ホワイト、ポリアニオン、および層状酸化物は、リチウム・イオン対応物よりも安価な材料を特徴とする正極候補である。前者はNorthvoltとCATLで使用されており、広く入手可能で安価であるが、体積エネルギー密度が比較的低くなる。イギリスに本拠を置く企業ファラディオンは、層状酸化物を使用しており、より高いエネルギー密度が期待できるが、時間の経過と共に容量が低下するという問題がある。フランスのTiamatはポリアニオンを使用しており、ポリアニオンはより安定しているが、有毒なバナジウムが含まれている。
「ナトリウム･イオン電池の容量を計画している電池メーカーの大半は、層状酸化物正極技術を使用することになるであろう。」とBenchmarkのHartlyは述べた。「実際、[セル]パイプラインの71％は層状酸化物である。同様にナトリウム･イオン負極パイプラインの90.8％は層状酸化物である。」
正極がリチウム・イオンの主要なコスト要因であるのに対し、負極はナトリウム･イオン電池の中で最も高価な部品である。硬質炭素はナトリウム･イオン正極の標準的な選択肢であるが、生産能力がナトリウム･イオン電池に比べて遅れており、価格が高騰している。硬質炭素材料は、最近、動物の排泄物、下水汚泥、グルコース、セルロース、木材、石炭、石油誘導体などのさまざまな前駆体から得られている。一般的なリチウム・イオン負極材料である合成グラファイトは、ほぼ後者の2つの前駆体のみに依存している。サプライチェーンが発展しているため、硬質炭素はグラファイトよりも高価であり、ナトリウム･イオン電池製造における重要なハードルの1つとなっている。
ナトリウム･イオン電池はコスト高を部分的に軽減し、特に氷点下の条件で優れた温度耐性を示す。ゼロボルトまで放電できるため、輸送や廃棄時のリスクが軽減されるため、リチウム・イオンよりも安全である。リチウム・イオン電池は通常、約30％充電された状態で保管される。ナトリウム･イオンは、電解質の引火点(化学物質が蒸発して空気との発火性混合物を形成する最低温度)が高いため、火災の危険性が低くなる。どちらの化学反応も同様の構造と動作原理を特徴とするため、ナトリウム･イオンは多くの場合、リチウム・イオンの生産ラインや装置に投入される可能性がある。
実際、世界有数の電池メーカーCATLは、ナトリウム･イオンを自社のリチウム・イオン・インフラストラクチャーと製品に統合している。2021年に発売された最初のナトリウム･イオン電池のエネルギー密度は160 Wh/kgで、将来的には200 Wh/kgになることが約束されている。CATLは2023年には中国の自動車メーカー奇瑞が同社のナトリウム･イオン電池を初めて使用すると発表した。CATLは2023年代後半にpv誌に対し、ナトリウム･イオン電池の基本的な産業チェーンを開発し、大量生産を確立したと語った。CATLは、生産規模と出荷は顧客のプロジェクトの実施に依存すると述べ、ナトリウム･イオンの大規模な商業展開にはさらなる取り組みが必要であると付け加えた。電池メーカーは「産業全体が協力してナトリウム･イオン電池の開発を推進していきたい。」としている。
ナトリウムにチャージする
2024年1月、中国最大の自動車メーカーで第二位の電池供給会社であるBYDは100億元(14億ドル)、年間30 GWhのナトリウム･イオン電池工場の建設を開始したと発表した。この出力は「マイクロ・モビリティ」デバイスに電力を供給する。中国科学院からスピンアウトしたHiNaは2022年12月にギガワット時規模のナトリウム･イオン電池生産ラインを委託し、ナトリウム･イオン電池の製品群と電気自動車のプロトタイプを発表した。
ヨーロッパの電池メーカーNorthvoltは2023年11月に160 Wh/kgの検証済みナトリウム･イオン電池セルを発表した。スエーデンのウプサラ大学からスピンアウトしたAltrisと開発したこの技術は、同社の次世代エネルギー貯蔵装置に使用される。Northvoltの現在の製品は、NMC化学に基づいている。Northvoltのエネルギー貯蔵システム、事業開発シニア・ディレクターWilhelm Löwenhielmは発表会で、同社は大規模でリン酸鉄リチウム電池と競争できる電池を望んでいると述べた。「時間の経過と共に、この技術はコスト競争力の点でリン酸鉄リチウム電池を上回ることが期待される。」と彼は述べた。
Northvoltは迅速な市場参入と規模拡大のための「プラグ・アンド・プレイ」電池を望んでいる。「この特定の技術を市場に投入するための主要な活動は、電池グレードの材料のサプライチェーンを拡大することであり、Northvoltはパートナーと協力して現在取り組んでいる。」とLöwenhielmは述べた。
小規模企業もナトリウム・イオン技術を商業化するために尽力している。2021年にインドの複合企業Reliance Industriesに買収されたFaradionは、現在、次世代セルの設計を生産に移管していると述べた。「当社は、以前のセル設計と比較して、エネルギー密度が20％高く、サイクル寿命が3分の1増加した新しいセル技術と設置面積を開発した。」とFaradionの最高経営責任者(CEO)のJames Quinnは述べている。
同社の第一世代セルは、160 Wh/kgのエネルギー密度を実証した。Quinnは、Relianceの計画は2022年にインドに2桁ギガワットのナトリウム･イオン電池工場を建設することだと述べた。今のところ、それらの計画はまだ実施されているようである。2023年8月、RelianceのMukesh Ambani会長は同社の年次株主総会で、当事業は「当社のナトリウム・イオン電池技術の迅速な商業化に焦点を当てている…当社は、ナトリウム･イオン電池の生産をメガワット・レベルで工業化することで技術的リーダーシップをさらに強化する。」と述べた。2025年に成長し、その後は急速にギガスケールにまで成長する。」と彼は言った。
生産
新興企業Tiamatは、フランスのHauts-de-France地域で5 GWhの生産工場の建設を開始する計画を進めた。2024年1月に、同社は株式および資金調達債務で3,000万ユーロ(3，240万ドル)を調達し、今後数ヶ月以内に産業プロジェクトへの資金調達を完了し、資金調達総額は約1億5,000万ユーロになる予定であると述べた。「同社はフランス国立科学研究センターからスピンオフしたもので、「すでに受けた最初の注文に応えるため」、当初は電動工具や定置型蓄電池用途向けのナトリウム･イオン電池を自社工場で製造する予定である。その後、電池式電気自動車用途向けの第二世代製品の生産規模を拡大することを目標としている。
アメリカでも、業界関係者が商業化の取り組みを強化している。2024年1月、Acculon Energyは、モビリティおよび定置型エネルギー貯蔵用途向けのナトリウム･イオン電池モジュールおよびパックの量産を発表し、2024年半ばまでに生産量を2 GWhに拡大する計画を発表した。一方、スタンフォード大学から独立したNatron Energyは、2023年にナトリウム･イオン電池の量産を開始する予定であった。その目標は、ミシガン州にある電池製造会社Clarios Internationalの撤退するリチウム・イオンMeadowbrook施設で600 MWのナトリウム･イオン電池を製造することであった。しかし、進捗状況に関する最新情報は限られている。
資金調達
2023年10月、Peak Energyは1,000万ドルの資金と、Northvolt、Enovix、Tesla、SunPowerの元幹部からなる経営陣を擁して誕生した。同社は、当初は電池セルを輸入する予定で、2028年初頭まで変更は見込まれないと述べた。「小規模なギガワット工場には約10億ドルが必要である。10 GW未満を考えてほしい。」とPeak EnergyのLandon Mossburg最高経営責任者は発表会で述べた。「したがって、市場に投入する最も早い方法は、サードパーティーから入手可能なセルを使用してシステムを構築することである。十分なセルを出荷する能力を構築しているのは中国だけである。」同社は最終的には、アメリカ・インフレ抑制法に基づく国内コンテンツ・クレジットの資格を取得したいと考えている。
インドのKPITなどの一部のサプライヤーは、生産計画を持たずにこの分野に参入している。自動車用ソフトウェアおよびエンジニアリング解決事業は、2023年12月にナトリウム・イオン電池技術を発表し、製造パートナーの探索に着手した。KPIT会長のRavi Panditは、同社はエネルギー密度が100 Wh/kg～170 Wh/kgの範囲で、潜在的には220 Wh/kgに達する可能性がある複数のバリエーションを開発していると述べた。
「我々がナトリウム･イオン電池の研究を始めたとき、エネルギー密度の当初の期待はかなり低かった。」と彼は言った。「しかし、当社や他の企業が実施してきた開発のお陰で、過去8年間にわたってエネルギー密度は上昇している。」供給提携を模索している企業もある。昨年、世界有数の電池エネルギー貯蔵システム・インテグレーターであるフィンランドの技術グループWärtsiläは、この分野での提携や買収の可能性を模索していると発表した。当時、同社は研究施設で技術をテストする方向に進んでいた。「我々のチームは、将来の定置型エネルギー貯蔵解決にナトリウム･イオン電池を組み込むなど、多様化するエネルギー貯蔵技術の新たな機会を追求することに引き続き取り組んでいる。」とWärtsilä Energy Storage and Optimizationの戦略解決開発ディレクターAmy Liuは2024年2月に述べた。
沿岸域の機会
多くの量産化発表を受けて、ナトリウム･イオン電池は現在、成否の瀬戸際にあり、投資家の関心がこの技術の運命を決定することになる。2023年11月に実施されたIDTechExの市場分析では、2030年までに少なくとも40 GWhの成長が見込まれ、さらに100 GWhの製造能力は2025年までの市場の成功にかかっている。
「これらの予測は、(ナトリウム･イオン電池)業界に差し迫ったブームが到来することを前提としているが、それは今後数年間の商業的取り組みにかかっている。」とSiddiqiは述べた。
ナトリウム･イオンは、必要な原材料が世界中で容易に入手できるため、沿岸域のクリーン･エネルギーのサプライチェーンに新たな機会を提供する可能性がある。しかし、電車は既に駅を出発したようである。
BenchmarkのHartleyは「リチウム・イオン電池市場の初期段階と同様、世界産業の主なボトルネックは中国の優位性であろう。」と述べた。「2023年に時点で、ナトリウム･イオン電池容量の99.4％が中国に拠点を置いており、この数字は2030年までに90.6％まで低下すると予想されている。ヨーロッパと北アメリカの政策により、リチウム・イオン電池のサプライチェーンが中国から離れようとしているため、国内生産への依存に伴い、現地化されたサプライチェーンを構築するためにナトリウム･イオン電池市場にも変化が必要となるであろう。」
