高性能バッテリーの設計 – コバルトは廃止、代わりにTAQ？

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者は、貴重な金属を必要としない新しいタイプのバッテリー技術を最近開発しました。その代わりに、有機化合物であるビス・テトラアミノベンゾキノン（TAQ）と呼ばれるカソードが使用されます。

バッテリーの重要性

電気自動車（EV）の台頭により、バッテリー技術は、電子機器だけでなく、モビリティと、将来的には、風力や太陽光などの再生可能エネルギーの間欠的な性質を調整するために、電力網にも関連するため、以前よりも重要になりました。

世界のEV販売 – ソース: IEA

現在、バッテリーの主な化学反応は、リチウムイオン技術です。これは、これらのバッテリーが、kW/kgで測定した場合に、利用可能なエネルギー密度が高いからです。このメトリックは、モビリティアプリケーションで最も重要です。バッテリーの毎回の追加キログラムは、より多くのバッテリーと/または短い航続距離の必要性を意味します。

したがって、EVが自動車（そして、おそらくトラックや飛行機）の将来の主な技術であることが証明されたため、バッテリー技術を改善するための多大な努力が払われました。

リチウムイオンを諦める？

リチウムイオン技術は、非常に密度が高いものの、欠点がありません。解決すべき問題のリストがあります：

• 液体燃料であるガソリンやディーゼルに比べて、密度はまだ比較的低いため、航続距離の心配が生じます。
• 充電が比較的遅いため、多くのドライバーと商業的なアプリケーションにとって問題となります。
• バッテリーは、高価な鉱物の必要性により、高価です。
  • これにより、EVは当初、普通の消費財ではなく、贅沢品になりました。
  • これらの鉱物の採掘は、環境に優しくないことが多く、特にコンゴでのコバルトの場合、劣悪な労働条件や貧しい労働者や子供の搾取とともに進行します。

結果として、代替の化学反応が検討されてきました。これには、次のものがありますが、これに限定されません。

• リチウム・フェリウム（鉄）・リン酸塩（LFP）
• ナトリウムイオン
• 固体電池
• リチウム・硫黄
• グラフェン
• ガラスバッテリー

アルミニウムの酸化は、バッテリーの代替として検討されてきました。しかし、これらの代替案すべてに制限があります。これには、寿命の短さ、製造の難しさなどが含まれます。

(私たちは、これらの技術のそれぞれの長所と短所について、記事「モビリティの未来 – バッテリー技術」で詳しく説明しています。)

最も有望なもの、たとえば固体電池は、まだ実験段階にあり、商業化の準備が整っているもの、たとえばLFPやナトリウムイオンは、リチウムイオンよりもエネルギー密度が低いものです。

低エネルギー密度のバッテリーも市場があるかもしれません。なぜなら、それらは製造コストも低いからです。中国の会社 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です。私たちは、記事「投資するためのトップ10バッテリー株」で、主なバッテリー製造会社について説明しています。

しかし、最終的には、理想的なEVには、安価で強力なバッテリーが必要です。この組み合わせは、特に商業的なアプリケーションの場合、内燃機関を完全に置き換えるために必要になります。

リチウムイオンカソードの問題

リチウムイオンのほとんどの制限は、バッテリーのカソード部分の化学的および物理的特性に由来します。カソードは通常、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、記事「トップ10バッテリー金属＆再生可能エネルギー鉱山株」でさらに説明しています。)

これらの金属は、採掘が必要であり、汚染を引き起こし、労働条件も悪いことが多い。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になります。

ソース: Visual Capitalist

研究者たちは、炭素ベースの代替案、または有機カソードと呼ばれるものを検討してきました。ただし、これまでのところ、これらはエネルギー密度が低すぎるか、EVの繰り返し充放電サイクルで使用するには十分な耐久性がないという問題がありました。

これは、先ほど述べたMITの研究者による発見により、変わる可能性があります。

新しいタイプの有機カソード

ミルチャ・ディンカ教授は、MITのW.M.ケックエネルギー教授であり、新しい有機化合物をカソードアプリケーションに使用することを検討しました。以前には、オルガノ硫黄とカルボニル化合物が検討されていましたが、彼はビス・テトラアミノベンゾキノン（TAQ）と呼ばれる化合物を検討しました。彼のチームは、以前からこの化合物のスーパーキャパシタ材料としての潜在性を実証していました。

TAQは、バッテリーで使用する可能性が高いです。なぜなら、従来のコバルトベースのカソード性能と競合できる可能性のある「層状固体構造」を形成するからです。”

ただし、これだけでは不十分でした。MITの研究者たちは、カソードのステンレス鋼電流コレクターへのTAQの接着性を改善する方法も見つけました。これにより、新しい概念実証カソードプロトタイプの安定性が向上しました。

セルロースとゴムを含む材料をTAQに添加することで、彼らは安全に2,000回以上の充放電サイクルを達成しました。エネルギー密度もコバルトベースのカソードよりも高く、充電時間は6分未満でした。

次のステップ

これは、現在、実験室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ために、さらに作業が必要です。さらに、拡大された製造プロセスを作成するための努力も必要です。

しかし、これは、初めて有機カソードがコバルトベースのリチウムイオン設計と比較して、すべての重要なメトリック（エネルギー密度、材料コスト、充電速度）で競合するものです。

これは、リチウムイオン化学が、環境や倫理的な問題を引き起こす金属への依存を解決する限り、主流のバッテリー化学のまま残る可能性があることを示しています。

また、ディンカ教授の研究は、有機カソードには、まだテストされていない数千の有機化合物があるため、大きな潜在性があることを証明しています。したがって、TAQがコバルトやニッケルを置き換えるのに十分ではない場合でも、TAQに似た他の化合物がそれを達成する可能性があります。

リチウムイオン設計は、既存のサプライチェーンと製造基盤からの恩恵もあります。カソードを変更するだけで、バッテリー工場を新しい化学反応に合わせて再構築するよりも、はるかに簡単です。したがって、ビジネス上の観点からリチウムイオンを改善することは、多くの意味で合理的です。

また、有機カソードは、アルミニウムイオン、ナトリウム/カリウムイオン、亜鉛、またはカルシウムベースの二重イオンバッテリーなどの他のタイプのバッテリーにも使用されています。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型にも適用できる可能性があります。

いずれにせよ、バッテリーの有機成分は、バッテリーのリサイクルをより簡単にします。これは、私たちが記事「リチウムイオンのジレンマを解決する：電化される世界における故障したバッテリーの廃棄」で詳しく説明した問題（および投資機会）です。

有機カソード会社

フォルクスワーゲンAG

ミルチャ・ディンカ教授の研究は、ランボルギーニの傘下であるオーディの所有するフォルクスワーゲングループによって資金提供されました。有機カソード技術の特許出願も行われています。

フォルクスワーゲンは、世界で2番目に大きい自動車メーカーであり、トヨタに次ぐものです。同社は一時期、EV技術で後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を発表してから、追いつくための努力をしています。

ソース: フォルクスワーゲン

2033年までに、フォルクスワーゲングループはヨーロッパでEVのみを生産する予定です。

MITの研究者とのコラボレーションは、EVに関する他の多くのパートナーシップの1つです。これには以下が含まれます：

• レノーとの20,000ユーロのEVのパートナーシップ。
• 中国のXPengへの7億ドルの投資により、中国でのEVの販売が促進されます。
• 中国のSAICモーターとのパートナーシップにより、フォルクスワーゲンにEVプラットフォームが供給されます。
• ジェッタモーターとのパートナーシップにより、EV技術が取得されます。
• マグナとの4.92億ドルのパートナーシップにより、アイコン的なスカウトSUVがEVとして復活します。

フォルクスワーゲンは、EVに関する野心的な計画と、中国の先進的なEV技術へのアクセスを持ち、MITの有機カソード特許技術を検討し、将来のEVで大規模に展開するための作業を行う好きな位置にあります。

その他の有機バッテリー会社

これらは新しいカソードを開発していないものの、2つのスタートアップは、Store DotとEnergyXが、有機化合物を使用してアノードの性能を向上させることに取り組んでいます。