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アノードフリーのナトリウム固体電池は「リチウム・トライアングル」への依存を減らす可能性がある

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バッテリーの作り方は多様

バッテリーメーカーは常に最高の技術を目指してイノベーションを続けています。近年では、拡大し続ける電気自動車（EV）市場と、さらに急速に成長しているユーティリティ規模のバッテリー市場を取り込むインセンティブが原動力となっています。

リチウムイオン技術を基盤としていたバッテリーは、リチウムイオンの課題（高コスト、希少金属の使用、火災リスクなど）を解決するために、別の設計を模索しています。

その代替案の一つがナトリウムイオンで、リチウムの代わりにナトリウムを使用しますが、エネルギー密度は低くなります。

もう一つの代替案は固体電池です。電解質を不要にすることで、より高密度になり、同等のEV性能を得るために必要な量が減ります。また、固体電池は充電速度も格段に速くなるはずです。

さらに大胆なアプローチは、化学組成だけでなくバッテリー自体の構造を変えるものです。特に、アノードフリー電池はバッテリーの一部を完全に取り除きます。

研究者はこれらのアプローチを組み合わせようとしており、最近発表された世界初のアノードフリー・ナトリウム固体電池の設計がその一例です。

アノードフリー・ナトリウム固体電池

Nature Energyに「Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery」というタイトルで掲載された、カリフォルニア大学とシカゴ大学の研究者は、固体電池を作り上げただけでなく、リチウムの代わりにナトリウムを使用し、アノードさえも持たない電池を実現しました。

ナトリウム電池

ナトリウムは非常に豊富なイオンで、海中にほぼ無限に存在し、地殻中のリチウムの1,000倍の量があります。これにより、リチウムの非常に有力な代替素材となります。

EVブームによりリチウムが直面しているいくつかの制限があるため、重要です。

  • コストが高く、電動化自体が高価になる。
  • 採掘が環境に悪影響を及ぼす。
  • 世界でも限られた場所でしか生産されず、主に中国で精製されるため、地政学的リスクがある。

その存在が非常に広範で豊富であるため、ナトリウムが近年のリチウムのような価格不安定や供給不足に陥る可能性は極めて低いです。

課題は、ナトリウム電池は通常、リチウム系電池と競うほどの高密度を持たず、低価格のEVモデルに限られる点です。

アノードフリー電池

通常、電池は充電中にイオンを蓄えるアノードを持ち、放電時にイオンはカソードへ戻ります。

アノードフリー電池は、代わりにイオンを電流集電体上に直接形成されたアルカリ金属の電気化学的沈着物に蓄えます。

これにより、セル電圧が高くなり、セルコストが低減し、エネルギー密度が向上します。

アノードフリー設計の課題は、液体電解質からの沈着物が電流集電体に蓄積しやすく、バッテリーを損傷させることです。

固体電池

固体電池は、特に非常に高密度のモビリティが求められる用途において、バッテリーエネルギー貯蔵の「最終形態」と長らく期待されてきました。

電解質を除去することで、バッテリー全体の重量が減り、充放電が非常に高速になります。

この設計の課題は、充電時に金属が膨張しやすいため、十分に固体のシステムを維持することです。

さらに、リチウムイオン電池と同様に、ショート（ひいては火災）を引き起こす樹枝状結晶（デンドライト）の成長問題が常に懸念されています。

アノードフリー・ナトリウム固体

アノードフリー設計において、従来の固体電解質が電流集電体と適切に相互作用できないという追加の課題があります。

研究者は、液体のように流動する固体であるアルミニウム粉末を電流集電体として使用することで、この課題を解決しました。

多くの利点

固体であることで、アルミニウム電解質はデンドライトの形成も防ぎ、固体電池の寿命が短くなる主な原因となります。

また、安定した界面を提供し、電流がアクセスできないナトリウムが生じてバッテリー容量が低下するのを防ぎます。

最後に、200〜400Wh/kgのエネルギー密度範囲でさまざまなオプションが可能となり、高エネルギー密度を実現します。

これはリチウム系固体電池よりやや低いものの、現在使用されている電池よりははるかに優れています。ナトリウムとアルミニウムがリチウム、コバルト、ニッケルに取って代わることで、はるかに安価な材料経済と組み合わさり、勝利の組み合わせとなり得ます。

組み合わせの力

数年前までは、ナトリウム電池やアノードフリー電池は商業化に至るか疑問視されていた概念に過ぎませんでした。固体電池についても同様です。

これらの各カテゴリは急速に変化しており、私たちが記事「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリー技術」や「モビリティの未来 – バッテリー技術」で探求した他の多くの潜在的な化学系や設計も同様です。

研究者はこれらの実証済みバッテリー概念を統合し始めており、新たな段階に入っているようです。

驚くべきことに、これにより各アイデアの個別の制限を克服できる可能性があります。

この例では、固体電池のデンドライト問題とアノードフリー設計の電流集電体上の沈着問題の両方が、アルミニウム粉末の使用で解決されます。

アルミニウム粉末だけをアノードフリー設計に使用すると、依然として密度が低すぎます。

固体電池にアルミニウム粉末を使用しても、ナトリウムを使わなければ十分に安価にはなりません。

一方、ナトリウム単体は安価ですが、モビリティの要件を満たすほどの密度はありません。

したがって、異なる設計要素を組み合わせることで、各々の利点を統合しつつ個別の課題を除去または緩和でき、従来考えられていたよりもはるかに多くの将来のイノベーティブなバッテリー化学の機会が生まれるようです。

ナトリウム電池企業

1. CATL

CATLはバッテリー製造の世界的リーダーで、世界のバッテリー生産量の半分以上を占めています。同社はバッテリー製造サプライチェーンのすべての段階に関与し、バッテリー技術のリーダーでもあります。

これはリチウムイオン電池でも当てはまり、同社は長年にわたり確固たるリーダーシップを保持しています。CATLは他の複数のバッテリータイプでも顕著な進展を発表しています：

出典: CATL

同社はユーティリティ規模バッテリー市場にも本格参入しており、TENERシステムの性能を発表しました。これは「北京（中国）での使用開始から5年間で劣化がゼロの世界初の大量生産可能エネルギー貯蔵システム」です。

コンパクトなスペースに膨大なエネルギー: 20フィートコンテナで6.25 MWhの容量

CATLは中国でのバッテリーリサイクル設備に3.25Bを投資しています. CATLは特に、ニッケル、コバルト、マンガンで99.6%、リチウムで91%という顕著な回収率を達成しています.

規模、注力、研究開発の成果により、CATLはバッテリーイノベーション、製造、リサイクルの最前線に立つ可能性が高く、Tesla、NIO、Ford、StellantisなどのEVメーカーにとって重要なパートナーとなります。

2. BYD

EV市場で長年Teslaに挑んできたBYDは、Teslaだけでなく事実上すべての自動車メーカーにとっても本格的な競争相手となっています。

電話用バッテリー供給業者から、 中国（世界最大のEV市場）でTeslaに匹敵するEV販売台数を誇り、タイ、スウェーデン、オーストラリア、ニュージーランド、シンガポール、イスラエル、ブラジルで最も売れているEVになるまでに成長しました

BYDは、中国が2023年に日本を抜いて世界最大の自動車輸出国となった大きな要因であり、同社の積極的な海外展開はハンガリーなどの新工場によって支えられていますハンガリーのように。

そして、Seagulのような1万〜1.2万ドルの車をナトリウム電池で発売すれば、BYDのEVに新たな市場が開かれる可能性があります。

出典: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

バッテリーメーカーとしての本質は変わらず、BYDはLFP電池市場でCATLに対する本格的な挑戦者であり、中国で41.1%のシェア（CATLの33.9%と比較）を占めています。

BYDが欧州や米国市場に投入する安価なEVの“洪水”は、最近課された関税を上回る保護主義的措置に直面する可能性があり、成長を阻む恐れがあります。

しかし同時に、安価な中国製EVはすでに世界の多くの地域で大成功を収めており、南米、ロシア、アフリカ、中東、東南アジアなど、国内自動車メーカーが少ない地域でも受け入れられています。

これは、欧米と中国の両方と良好な関係を保ちつつ地政学的バランスを求める数十億人の潜在顧客を意味し、過度な保護主義的障壁が生まれる可能性は低いです。

さらにEUや米国でも、現地EVメーカーの価格が中国と比べてはるかに高く、またこれらの市場向けに中国以外（例として東欧、メキシコ、トルコ）での生産を現地化していることから、BYDは競争力を維持できるでしょう。

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Jonathanは元バイオケミストの研究者で、遺伝子分析と臨床試験に従事していました。現在は、株式アナリストおよびファイナンスライターとして、革新、市場サイクル、地政学に焦点を当てた出版物 'The Eurasian Century" に貢献しています。