より良いバッテリーを設計する – コバルトはさようなら、TAQで…

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは最近、貴金属を必要としない新しい種類の電池技術を開発しました。その代わりに使われるのは、ビス-テトラアミノベンゾキノン、通称「TAQ」と呼ばれる有機正極です。

バッテリーの重要性

電気自動車（EV）の普及は、米国のTesla (TSLA )や中国のBYD、CATLに大きく後押しされ、電池技術の重要性をかつてないほど高めました。電池は電子機器だけでなく移動手段にも不可欠であり、近い将来には風力や太陽光など再生可能エネルギーの変動を補うため、電力網でも重要になります。

世界のEV販売 – 出典: IEA

現在でも、バッテリーの主流化学はリチウムイオン技術です。これは、kW/kgで測定した場合、エネルギー密度が非常に高いからです。この指標はモビリティ用途で最も重要で、バッテリーが1kg増えるごとに、バッテリー容量が増えるか走行距離が短くなる必要があります。

したがって、EVが自動車（そしてトラックや航空機さえも）にとって将来の主要技術になると証明されたため、バッテリー技術の改善に多大な努力が注がれています。

リチウムイオンをやめるのか？

高エネルギー密度であるものの、従来のリチウムイオン技術には欠点があります。解決すべき問題のリストは以下の通りです：

• 密度はガソリンやディーゼルなどの液体燃料に比べてまだ低く、航続距離への不安を招きます。
• 充電がやや遅く、これは多くのドライバーや商業用途にとって問題です。
• バッテリーは高価で、主に高価な鉱物が必要なためです。
  • これにより、EVは当初、一般消費財というよりも高級品と見なされました。
  • これらの鉱物の採掘は環境に優しいことはほとんどなく、しばしば劣悪な労働条件や貧しい労働者や子供の搾取と結びついています。特にコンゴのコバルトがその例です。

その結果、多くの代替化学が検討されています。これには以下が含まれ、これに限られません、

• LFP（リチウム・フェロ/リン酸鉄）
• ナトリウムイオン
• 固体電池
• リチウム硫黄電池
• グラフェン
• ガラス電池

アルミニウムの酸化はバッテリー全体の代替としてさえ議論されています。しかし、これらの代替案すべてに制限があります。たとえば、寿命が短い、製造が難しい、などです。

(これら各技術の利点と制限については、当社の記事「The Future of Mobility – Battery Tech」で詳細に議論しました。)

最も有望な固体電池などはまだ実験段階にあり、商業化が可能なLFPやナトリウムイオンはリチウムイオンに比べてエネルギー密度が低いという課題があります。

これら低密度バッテリーには市場がある可能性があります。製造コストがはるかに安いためです。中国企業CATL(300750.SZ)は、世界のバッテリーの半分以上を生産しており、この分野のリーダーの一つです。当社の記事「Top 10 Battery Stocks To Invest In」で主要バッテリーメーカーについて議論しました。

それでも最終的に、理想的なEVは安価でありながら高性能なバッテリーを搭載すべきです。この組み合わせは、特に商業用途で内燃機関を完全に置き換えるために必要になるでしょう。

リチウムイオン正極の問題

リチウムイオンの多くの制限は、バッテリーの正極部分の化学的・物理的特性に起因します。正極は通常コバルトを必要とし、コバルトフリーの代替案でも、ニッケルやマグネシウムなどの高価な金属に大きく依存しています。

(EVや再生可能エネルギーへの移行に必要な金属については、当社の記事「Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks」でさらに詳しく議論しました。）

これらの金属は採掘が必要で、汚染を引き起こし、労働条件はしばしば酷いです。また有毒であるため、バッテリーのリサイクルがより複雑な作業になります。

出典: Visual Capitalist

研究者は炭素ベースの代替、いわゆる有機正極を検討してきました。現在までのところ、エネルギー密度が低すぎるか、EVの頻繁な充放電サイクルに耐えるほど耐久性がないため、成功していませんでした。

しかし、MITの研究者による前述の発見により、状況が変わった可能性があります。

新しいタイプの有機正極

Mircea Dincă教授（MITエネルギー学部W.M. Keck教授）は、正極用途で未検証だった新しい有機化合物を最近調査しました。従来研究された有機硫黄化合物やカルボニル化合物の代わりに、TAQ（ビス-テトラアミノベンゾキノン）という化合物に注目しました。彼のチームは以前、この化学物質がスーパーキャパシタ材料としての可能性を示していました。

TAQはバッテリーでの使用に大きな可能性があります。なぜなら、従来のコバルト系正極の性能と競合できる層状固体構造を形成するからです。

それだけでは不十分です。MITの研究者は、TAQが正極のステンレス製電流集電体に付着する性質を改善する方法も見つけ、概念実証正極プロトタイプの安定性を向上させました。

TAQにセルロースおよびゴム系材料を添加することで、2000回以上の充放電サイクルを安全に達成しました。エネルギー密度もコバルト系正極より高く、充電時間は6分未満でした。

次は何か？

現在は実験室レベルのプロトタイプであり、フルEVバッテリーパックサイズに拡大するにはさらなる作業が必要です。また、この新しいバッテリー化学の大規模製造プロセスを構築するための更なる努力も必要です。

それでも、有機正極がコバルト系リチウムイオン設計をエネルギー密度、材料コスト、充電速度というすべての重要指標で上回ったのは初めてのケースの一つです。

これは、リチウムイオン化学が倫理的・環境的問題を引き起こす金属への依存を解決できれば、主流のバッテリー化学として存続できることを示しています。

Dincă教授の研究が示すもう一つの点は、有機正極が大きな可能性を持ち、まだ数千もの有機化合物がこの用途で未検証であることです。したがって、TAQがコバルトやニッケルを置き換えるのに不十分でも、TAQに類似した他の化合物がそれを実現できるかもしれません。

リチウムイオン設計は、既存の大規模なサプライチェーンと製造基盤の恩恵も受けています。新しい化学を受け入れるためにバッテリー工場をゼロから作り直すよりも、正極だけを変更する方がはるかに容易です。したがって、リチウムイオンの改良はビジネス的にも非常に理にかなっています。

有機正極は、アルミニウムイオン、ナトリウム/カリウムイオン、亜鉛、またはカルシウム系二イオンバッテリーなど、他のタイプのバッテリーでも議論されています。したがって、TAQの特性の発見はリチウムイオン以外のバッテリーにも応用できる可能性があります。

いずれにせよ、バッテリーに有機成分を使用することでリサイクルが容易になり、これは当社が記事「Li-ionジレンマへの対処：電化が進む世界で廃棄バッテリーセルの処分」で詳しく検討した投資機会でもあります。

有機正極企業

Volkswagen AG

Mircea Dincă教授の研究は、Audiの子会社であるAutomobili Lamborghini S.p.A.（Volkswagenグループ所有）から資金提供を受けました。有機正極技術に関する特許出願はすでに行われています。

このドイツの自動車メーカーは、トヨタに次ぐ世界第2位の自動車生産量を誇ります。同社はかつてEV技術で遅れを取っていましたが、IDシリーズや複数のハイブリッドモデルなどで追いつくべく努力してきました。

出典: Volkswagen

2033年までに、Volkswagen グループはヨーロッパでEVのみを生産する計画です。

MIT研究者との協業は多くの協業の一つで、他のEVに関するパートナーシップには以下が含まれます：

• 20,000ユーロのEVに関するRenaultとのパートナーシップ。
• 中国のXpengへの7億ドル投資で中国でのEV販売を促進。
• 中国のSAIC Motorと提携し、VolkswagenにEVプラットフォームを供給するパートナーシップ。
• Jetta MotorとのEV技術取得に関するパートナーシップ。
• 4億9200万ドルのパートナーシップでMagnaと協力し、象徴的なScout SUVをEVとして復活させる

EVに関する野心的な計画と、中国の主要企業からの先進的なEV技術へのアクセスにより、VolkswagenはMITの有機正極特許技術を検討し、将来のEVに大規模に導入する好位置にあります。

その他の有機バッテリー企業

新しい正極は開発していませんが、2つのスタートアップが有機化合物を用いてアノード性能の向上に取り組んでいます。Store Dot と EnergyX。