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リチウム・イオン電池対ナトリウム･イオン電池：どちら方がより良いか？

Lithium-Ion vs Sodium-Ion Batteries: Which Is the Better One?

htts://solartechadvisor.com/　　　　　2022.02.05

　用途に電力を供給するための電池を探している場合、利用可能な多くのオプションがある。この投稿ではリチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の違いについて説明している。

　リチウム・イオン電池は軽量、コンパクトなサイズ、高エネルギー密度のため、電子機器で広く使用されている。これらはラップトップ、携帯電話、タブレット、電動工具

などの電子機器に電力を供給するための一般的な選択肢である。それらは非常に多くの用途に最適であるが、重要な欠点がある。リチウム・イオン電池の主な問題はリチウムのコストが高く、製造コストが高くなる。また、リチウムは非常に少量で世界中に広がってある。これは電池を製造するときに場所から場所への輸送に費用がかかるようにし、これは企業にとっても環境にとっても問題である。ナトリウム･イオン電池は現在、市場に出回っている最新の充電式電池の1つである。

　しかし、それらは最終的に商品化される前に既に数十年にわたって研究されてきた。ナトリウムははるかに手頃な価格で広く入手できるため、リチウム・イオン電池の優れた代替品である。リチウムは希少であるだけでなく、製造コストも高くなる。1トンのナトリウムの費用はわずか150ドルであるが、1トンのリチウムの費用は20,000ドルを超える、リチウム製造の根本的な難しさは、元素の形で見つからないことである。使用する前に他の元素から分離する必要があり、この分離工程は、硫酸や塩酸などの非常に有毒な化学物質を使用するため、環境への影響が大きくなる。したがって、業界はこの影響を減らす方法を模索している。ナトリウム･イオン電池は良い代替品のようであるが、技術はまだ初期段階にある。

　ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と同じ高エネルギー密度ではなく、充電するたびに長持ちしない。ナトリウム･イオンとリチウム・イオンの大きな利点の1つは、価格が低く、環境への影響が少ないことである。

リチウム・イオン電池とは何か？

　リチウム・イオン電池は携帯電話やラップトップなどの携帯用電子器機用の最も一般的なタイプの充電式電池である。これは4つの成分で構成されている。陽極は電池容量と電圧を限定し、リチウム・イオンの供給源となる。陰極は、電流が外部回路を流れることを可能にし、電池が充電されると、リチウム・イオンが陰極に蓄えられる。

　塩、溶媒、添加剤で構成される電解質は陽極と陰極の間のリチウム・イオンの経路として機能する。最後に、セパレーターは最後の成分であり、陽極と陰極を分離する物理的な障壁である。

リチウム・イオン代替電池技術が必要なのはなぜか？

リチウム供給は限られている

　90 kWhのリチウム・イオン電池を搭載した電気自転車は、1回の充電で300 km走行するには約6 kg相当のリチウムが必要である。世界中の道路には約12億台の車両があり、これらの車の20％すべてを電気自転車に変換した場合、同等のリチウムが14.4億kg必要になる事を意味する。

　この分析は携帯用電子器機や電力網用のエネルギー貯蔵など、リチウム・イオン代替電池の他の全ての用途を網羅しているわけではないが、安価で入手しやすい材料で作られた代替高エネルギー電池の検索が重要であることは明らかである。

リチウムの採掘には豊富な水が必要

　また、リチウム電池の製造には大量のリチウム採掘が必要である。リチウム・トライアングルとも呼ばれる場所は、チリ、アルゼンチン、ボリビアの一部を含む南米地域であり、世界のリチウム供給量の半分以上が塩田の下にあり、リチウム1トン当たり

50万ガロンの水が必要である。これは大量の水であり、これらの地域の多くは既に非常に乾燥しており、ほとんどが砂漠であるため、これは重大な問題になる可能性がある。鉱業はこの地域の水の供給の半分以上を排水しており、それは農業経済に深刻な影響を及ぼしている。

リチウム採掘はクリーンな工程ではない

　リチウム採掘が環境と接触する水に及ぼす影響は重要である。塩酸などの有毒化学物質が水道に浸透する可能性がある。伝統的な採掘技術が使用されているオーストラリアや北アメリカのような地域でさえ、これらの化学物質の処分と封じ込めは困難である。調査によると、ネバダ州での採掘は、操業から最大50マイル下流の魚に影響を与えることが分っている。リチウム鉱業は土壌、水供給、および空気を汚染する。

リチウム電池のリサイクルは役立たない

　リチウム採掘の悪影響を軽減する1つの方法は、リチウム電池をリサイクルすることである。しかし、これは効率的な工程ではなく、多くのエネルギーを必要とする。その上、リチウム・イオン電池のリサイクルは、それを実行可能な解決策にするのに十分なほど研究されていない。したがって、リサイクルできるリチウム・イオン電池はごく一部である。

　オーストラリアでは電池の約2～3％しかリサイクルされていないが、アメリカと欧州連合ではリチウム・イオン電池の5％しかリサイクルされていない。一部の電気化学物質には中央アフリカで採掘され、コンゴ民主共和国などの国の鉱山での人権侵害のために紛争鉱物の例として挙げられている金属であるコバルトのような希少で化学物質が含まれている。

リチウム・イオン電池の初期の代替品

　リチウムを代替する可能性があると調査された最初の元素の1つが亜鉛であったため、技術者と科学者はリチウムの代替品に取り組んできた。亜鉛は自然界でより豊富であり、また非常に安定していて安価である。しかし、リチウムほど効果的ではない。リチウム・イオン電池のもう1つの代替品は水素電池である。これらは低コストで環境に優しいものである。しかし、水素は可燃性が高く、貯蔵に費用がかかるため、リチウム・イオン電池を水素燃料電池技術に置き換えることは不可能である。したがって、水素燃料電池への長期的な変換は、セルを作成する労働者の安全と幸福に悪影響を与える可能性がある。

　このデータは、リチウム・イオン電池が電気自転車や配電網蓄電を含む多くの用途で引き続き利用できるオプションであることを示唆している。しかし、リチウムの不足と、リチウムの採掘によって引き起こされる環境への害に対処する必要がある。

ナトリウム･イオン電池とは何に？

　ナトリウム･イオン電池は、リチウム・イオンではなくナトリウム･イオンを使用して電荷を輸送することを除いて、リチウム・イオン電池と同様に機能する充電式電池である。ナトリウム･イオン電池は最も有望なリチウム・イオン代替品の1つである。リチウム・イオンの採掘および生産と比較すると、製造コストが大幅に低く、二酸化炭素排出量がはるかに少なくなる。1980年代に最初に研究されたナトリウム･イオン電池は、リチウム電池技術に代わる低コストの代替品としてのエキサイティングな可能性で注目を集めている。

　リチウムとナトリウムは同じアルカリ金属であるため、それらの物理的および化学的／電気化学的特性は非常に似ている。その結果、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池によって燃え上がる成功の道を自然にたどる。ナトリウム･イオンとリチウム・イオンの間の同様の挿入化学にもかかわらず、ナトリウム･イオン電池とリチウム・イオン電池で使用される電極材料、およびそれらに関連する性能は、以前に考えられていたよりもかなり共通点が少ないことが明らかになる。

　リチウム電池技術に必要な多くの要素の不均一な世界的分布、厳しい環境への影響、および高コストのために、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池の潜在的な補足技術として多くの関心を呼んでいる。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池に必要なリチウム、コバルト、銅、ニッケルを必要としない。ナトリウム･イオン電池の最大の利点は、天然のナトリウムが豊富に供給されることである。結果としてナトリウム･イオン電池の製造は、リチウム・イオン電池の製造よりも安価になる可能性がある。

リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池の比較はどうか？

コスト

　ナトリウム･イオン電池のコストはリチウム・イオン電池よりも約30%～40％低いと予想されるが、ナトリウム･イオン電池の市販品の40％はまだ十分に確立されていない。ナトリウム･イオン電池が様々な電源用途に広く利用できるようになると、ナトリウム･イオン電池のコストは次の表のようになると予想される：

性能

　リチウム・イオン電池はナトリウム･イオン電池に比べて優れた性能を発揮する。リチウムはより優れた電気化学的特性を持ち、エネルギーの伝達により効果的である。リチウム・イオン電池と比較すると、ナトリウム･イオン電池は内部抵抗が高く、エネルギー密度が低くなっている。

　リチウム・イオン電池の高性能は、頻繁に充電できる携帯電話やラップトップなどの携帯型電子器機に適している。これにより、これらの用途に関しては、消費者に好まれる選択肢になる。しかし、ナトリウム･イオン電池は価格と環境への配慮が優先される用途に適している。電池が長期間使用されることが多配電網貯蔵などの用途では、より安価で頻度の低い再充電のために、より大きな容量が必要になる。配電網貯蔵用途にナトリウム･イオン電池を使用すると、リチウム採掘の環境への懸念がなくても、リチウム・イオン電池に代わる費用効果の高い方法が提供される。

サイズ

　ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも大きい。それらはエネルギー密度が低いため、単位体積当たりの電荷をそれほど多く保存することはできない。リチウム・イオン電池が蓄えるエネルギー量を蓄えるためには、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも大きくする必要がある。しかし、技術が進歩するにつれて、両方のタイプの電池サイズは絶えず減少している。各タイプのエネルギー密度の増加により、より小型で強力な電池が可能になる。

エネルギー貯蔵

　リチウム電池はナトリウム電池の40～200 Wh/kgと比較して、最大220 Wh/kgのかなり大きな比エネルギー貯蔵(単位重量あたりのエネルギー)を備えている。リチウム・イオン電池はナトリウム･イオン電池のほぼ2倍のエネルギーを蓄えることができると言っても過言ではない。

作動温度

　リチウム・イオン電池とナトリウム･イオン電池はどちらも15℃から35℃の温度で最適な性能を発揮する。しかし、どちらも－20℃から60℃の間で機能する。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも極端な温度に対応できるため、極端な気象条件に適している。

サイクリングの安定性

　ナトリウム･イオン電池は放電深度80％で最大1000回サイクルできるが、リチウム・イオン電池は同じ深度で最大500サイクルできる。

自己放電

　ナトリウム･イオン電池の自己放電率は1ヶ月当たり10％未満であるが、リチウム・イオン電池の自己放電率は1ヶ月当たり5％未満である。

安全性

　リチウム・イオン電池の安全性の問題は責任を持って取り扱わないと火災や爆発の可能性があるため、最近、広く報道されている。ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池と比較した場合、化学反応が安全であるため、この種の故障が発生する可能性は低くなる。また、少量の有毒金属であるコバルトを必要とせず、光ファイバー・ケーブルから

吸入または吸収されると、時間の経過と共に大量の呼吸器障害を引き起こす可能性がある。

環境への影響

　採掘作業は電池の全体的なエネルギー・コストの16％を占め、コバルト・リチウムとマンガンの採掘は化石燃料と排水の両方からかなりの汚染を引き起こす。ナトリウムは従来の抽出技術または海水蒸発によって非常に簡単にアクセスできる。

　リチウム電池はコンゴでのコバルト鉱夫の長年の搾取を含み、何年にもわたって倫理的な問題に悩まされてきた。ナトリウムは容易に入手でき、コバルトを必要としない。それは海から簡単に得られる。ナトリウムは海水から簡単に抽出でき、リチウム採掘のエネルギーの本の一部しか必要としないため、二酸化炭素排出量を大幅に削減できる。

充電時間

　リチウム・イオン電池は内部抵抗が低く、電圧が高いため、充電時間が短くなる。実際の充電時間は電池の大きさと供給される電流によって異なる。

結論

　リチウム・イオン電池はナトリウム･イオン電池よりも小さく、軽く、充電が速く出来る。それらは頻繁に再充電できる携帯電話やラップトップなどの携帯型電子器機により適した、より高いエネルギー密度を提供する。これにより、これらの用途に関しては消費者に好まれる選択肢になる。しかし、ナトリウム･イオン電池はより安価で安全で、製造が容易である。それらはリチウム電池よりも多くの充放電サイクルに耐えることができ、配電網貯蔵用途や極端な温度に適している。

　全体として、どちらのタイプの電池にも長所と短所がある。リチウム・イオン電池は今後しばらくの間、消費者向け製品で最も一般的な物であり続けるが、ナトリウム･イオン電池はコストが安く、製造が容易なため、配電網貯蔵用途で既に置き換えられ始めている。