ナトリウム･イオン電池はオフハイウエイ市場でリチウム・イオン電池に対抗する準備ができているか？
Are Sodium-Ion Batteries Ready to Challenge Lithium-Ion in the Off-Highway Market?
By James Grech
https://www.xerotech.com/ 2023.12.05
オフハイウエイ用途での電動化について議論するとき、リチウム・イオン技術が話題を独占する傾向があるが、それは当然のことである。特定の基準では内燃エンジンに比べて優れており、他の電池電気オプションよりも明らかな利点がある。しかし、それはまで成熟しており、その可能性を最大限に発揮するには至っていない。
しかし、サプライチェーンの制約とリチウム採掘に伴うコストを考慮すると、リチウム・イオン電池の代替品が模索されている。提案された解決策の1つは、周期表でリチウムの直ぐ下に位置するナトリウム電池の研究は1970年代に始まった。しかし、リチウムほどの成功には遠く及ばず、後者の急速な商業化につながった。
リチウムに代わる実用的な商業的代替品としてナトリウムへの関心が再び高まっており、市場を積極的に破壊する可能性があるため、電池の電気分野に興味深い変化球を投げかけている。しかし、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池とどう違うのか？また、オフハイウエイ車両市場への導入は何を意味するか？
原動力となるコストと安全性
ナトリウムについて最初に注目すべきことは、その入手可能性である。これは6番目に一般的な元素であり、海水からも抽出できる。処理や加工がほとんど必要ないため、電池を使用できるようになるまでのコストと時間が削減される。ナトリウムが大量に入手可能であると言うことは、適切なインフラを備えたほぼすべての国がナトリウムを生産できるため、サプライチェーンに問題が生じる可能性が低いことも意味する。
ナトリウム･イオン電池は不燃性であるため、熱事象の影響を受けにくく、広範囲な温度範囲にわたって動作できる。データによると、ナトリウム電池は-20℃での動作時に90％の容量維持率を維持し、最大60℃の温度でも機能し続けることができる。このため、同等のほとんどの電池技術よりも安全な選択肢となり、近年の研究の増加につながっている。
さらに、地球または海からナトリウムを抽出することは環境への影響がはるかに低く、その豊富さは必要なエネルギーが少なくて済むことを意味する。ナトリウム･イオン電池はリサイクルもわずかに容易であり、比較的持続可能である。
ナトリウムがリチウムより優れているところ
リチウム・イオン電池について語るとき、リチウムの希少性が良く話題になる。しかし、世界のリチウムがすぐに枯渇する可能性は低いことは注目に値する。何十億台の電気自動車に電力を供給するのに十分な量があるため、ここでの「希少性」が意味するのは、材料の適切な採掘、処理、加工を持続的に行なうための設備が整っている限られた数の拠点のことである。
これにより、大量のリチウムがいくつかの国によって管理され、このような高い需要に対する供給が「限られている」ことを考慮すると、価格が高騰するという、ある程度ゲートのある業界が生まれた。リチウム採掘の準備が整う新しい鉱山を開設するには優に10年かかる可能性があるという事実も、需要を満たすのに役立たない。そして、リチウム・イオンを完全に置き換えるのではなく、少なくとも電気自動車市場の充電式電池の需要を補う適切な代替品が見つからない限り、需要は増加する一方である可能性が高いことはよく知られている。
ここでナトリウムの豊富に焦点が当てられる。原材料の価格にも大きな違いがある。2022年後半の時点で、炭酸リチウムの価格は1トン当り57万ドルであるが。炭酸ナトリウムの価格は1トン当り3,000ドル未満であった。
ナトリウム塩の優れた導電性により、電解質濃度の低下も可能になり、陰極と陽極の両方にアルミニウムを使用できるため、さらにコストが削減される。一方、リチウムにはアルミニウムと銅が必要で、やや重く高価である。
ナトリウム･イオン電池はより広い温度範囲で動作できるため、厳しい気象条件で動作するOEMや企業にとって、魅力的な見通しとなっている。電源保持率は、-20℃では90％であるが、-40℃では70％までしか低下しない。
リチウム・イオン電池は0 ℃以下の温度にさらされると容量のほぼ半分が失われ、-40℃では容量が12％以下に低下することを考えると、これはかなりの偉業である。リチウム・イオン電池の場合、適切な動作温度は0℃～50℃であるが、熱管理システムはこの範囲のどちら側でも機能を確保するためにかなりの努力を払っている。
ナトリウム･イオン電池には過放電の問題はなく、0ボルトまで放電できるが、リチウム・イオン電池はそうすると、陽極グラファイトの層間構造が崩壊し、リチウム・イオンの二次挿入に影響を与える可能性がある。リン酸鉄リチウム電池の化学的性質により完全放電に近づく可能性があるが、電池メーカーは依然としてそうすることを推奨していない。
なぜリチウム・イオンが依然として先頭に立っているのか
将来的にはナトリウム･イオン電池が電気自動車やその他の用途に電力を供給する可能性はあるものの、すぐにリチウム・イオン電池の地位を奪われる可能性が低いであろう。まず、ナトリウム･イオン電池は3つの主要な陽極タイプ(酸化物、ポリアニオン、およびプルシアン・ブルー類似体)を提案しているにもかかわらず、どれを最初に商品化すべきかについてはコンセンサスがない。一方、6種類の主要なリチウム・イオン電池の化学的性質は、さまざまな用途に合わせて明確に定義されている。
ナトリウム･イオン電池は出力とエネルギー密度もはるかに低く、これは安全性の向上を意味するが、リチウム・イオン電池メーカーはさまざまな安全対策でこれらの懸念を軽減している。例えば、Xerotechの場合、当社の特許取得済みXerothemeテクノロジーは、熱伝播の脅威を根源から排除する世界をリードする解決策である。また、セル、モジュール、パックのレベルで安全制御を行なっており、当社のHibernium電池パックが市場で最も安全であり、性能に妥協がないことを保証する。
実際には、電力とエネルギー密度が低いと言うことは、ナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池よりもはるかに少ない電力を蓄えることを意味する。これは、リチウム・イオン電池と同様のサイズのナトリウム･イオン電池では、次に必要な充電までの航続距離や動作時間が大幅に短くなることを意味する。そして、オフハイウエイ市場では、それはダウンタイムの増加を意味する。それを補うためには、ナトリウム･イオン電池をより大きくする必要があるが、これは車両が狭いスペースで動作する可能性が高い市場にとってはやや法外なものである。
リチウム・イオン電池は、蓄電池に蓄えられたエネルギーの90％を使用するのに対し、ナトリウム･イオンの80～85％を使用するため、蓄電池の利用効率もわずかに優れている。充電が速くなり、はるかに長い充電サイクルに耐えることができる。
ナトリウム･イオン電極は充放電サイクル(通常約3,000サイクル)を繰り返すと構造的に劣化するが、オフハイウエイ用途に使用されるリチウム・イオン化学反応は、選択した電気化学反応に応じて最大10,000回の充電サイクルに耐えることができる。ある意味、ナトリウム･イオン電池はリチウム・イオン電池よりも頻繁に交換する必要があるため、長期的にはそのコストの優位性が損なわれる可能性がある。
これがOHEV市場にとって何を意味するか
オフハイウエイ電気自動車(OHEV)の場合、ナトリウム･イオン電池がリチウム・イオン電池と同等の代替品となる可能性は低い。確かに、特に生産コスト、事実上無限の供給、安全性に関して顕著な利点があるが、最も重要な指標である性能においては、リチウム・イオン電池が際立っている。
リチウム・イオン電池は、同等の出力のナトリウム･イオン電極はよりも表面積が小さくても、より長く動作し、より長い距離をカバーし、より多くのエネルギーを供給し、より速く充電できる。また、リチウム・イオン電池は、この2つのテクノロジーのうちより成熟したものであっても、さらに開発の余地がまだある。
リチウム・イオンが自家用車やオフハイウエイ産業用途にわたって大量市場で商品化されているということは、このタイプの電池を改良する際に評価すべき豊富なデータを意味する。ナトリウム･イオンはこれとは程遠いため、eモビリティ市場の主流プレーヤーになる可能性は低い。しかし、独自のニッチ市場を切り開くことができないわけではない。
ナトリウム･イオン電極は静的な用途であるため、コスト効率と安全性の向上によりエネルギー貯蔵システムに最適である。もう1つの選択肢は、長い距離を移動したり、高速に到達したりする必要がなく、車両の構造を再設計することなく、より大きな電池を収容するスペースがある車両である。それは、ラストワンマイルの配送用バンや露天掘りの鉱山車両などである可能性がある。
ただし、特にナトリウム･イオン電池についてはさらに多くの試験が予定されており、拡張の余地は確かにあるため、この予測は将来的に再検討する必要があるかもしれない。また、ナトリウム電池は、リチウムに代わる機能を提供することで、リチウム・イオンの生産コストを下げる触媒の1つとなる可能性がある。
電気を使う時代が来た
要約すると、リチウム・イオン電池は、当面は車両電動化の頼りになる技術であり続けるであろう。リチウム・イオンが業界の変化を促進するのにどのように役立つかを知りたいか？当社のオンライン・カタログにアクセスして、お客様のニーズに合った電池があるかどうかを確認するか、直接当社に問い合わせて下さい。
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