エネルギー
無秩序ロックソルト: 酸素移動性への対処がバッテリーテクノロジーの突破口となった方法
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バッテリーの需要は世界的に増加しており、その使用の増加により自動車産業、携帯型消費者電子機器の人気上昇、そして厳しい環境規制が牽引しています。結果として、世界のバッテリー市場は2036年までに8000億ドルに達すると予測されており、2023年の約1200億ドルから増加しています。
この予想される成長を受けて、研究者はバッテリーの重要部品を改善するために新しい材料や化学物質の開発・テストを継続的に行っており、エネルギー出力、エネルギー貯蔵、パワー容量、サイクル容量といった特性に影響を与えています。
これらの部品には正極（カソード）、負極（アノード）、電解質（電極間のイオン輸送用）、およびセパレーターが含まれます。
現在、EVやスマートフォン、エネルギー貯蔵システムなどの多くのバッテリー駆動デバイスはリチウムイオンバッテリー技術に依存しています。リチウムイオンバッテリーはコンパクトなサイズで大量のエネルギーを蓄え、急速充電が可能で、長寿命です。
しかし、より高性能なバッテリーへの需要が高まる中、効率向上、コスト削減、安全性強化、持続可能性促進を目的とした新技術の研究・開発が進められています。
長年にわたる継続的な研究により、リチウムイオンや鉛酸バッテリーに代わる有望な代替案が登場しています。
ナトリウムイオンバッテリーは、より手頃で安全性が高く、低温でも性能が向上するオプションです。これらはリチウムイオンバッテリーと似ていますが、電解質に塩水を使用するためエネルギー貯蔵に適していますが、まだ最適化が必要です。研究者は電解質ゲルを用いてナノワイヤーの耐久性を高め、バッテリー用途に適合させようとしています。
固体電池は、ゲルや液体電解質の代わりにガラス、セラミック、またはポリマーなどの固体電解質を使用します。これらのバッテリーははるかに効率が高く、重量が軽く、充電が速く、すでにスマートフォンやペースメーカーで使用されています。トヨタとBMWは現在、固体電池搭載車の発売に向けて取り組んでいますが、実用化までにはまだ数年かかります。
新しいバッテリー技術には、コスト効率は高いものの耐久性に課題があるリチウム硫黄バッテリーや、コバルト採掘に伴う人権問題への対策となるコバルトフリーリチウムイオンバッテリーも含まれます。しかし、TAQ のような代替技術はまだ新しく、さらなるテストが必要です。
亜鉛系バッテリーも検討されており、亜鉛-二酸化マンガン、亜鉛空気、亜鉛ブロミン、亜鉛イオンバッテリーなどの技術がありますが、効率が低く、予期せぬ化学変換反応が起こることがあり、製造コストも高いため、さらなる研究が必要です。
世界がますますバッテリーに依存する中、科学者たちは蓄電時間、出力電力、製造コスト、即時使用可能性のブレークスルーを目指して取り組んでいます。
最新バッテリー突破口: ロックソルト-ポリアニオンカソード
新しい研究により、バッテリーの実用エネルギー密度を向上させる進展がありました。先月末にNature Energyに掲載された「Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling」というタイトルの研究は、MIT核科学工学部が実施しました。
この研究は、無秩序ロックソルトに見られる新しい正極材料に焦点を当てており、10年以上にわたりリチウムイオンバッテリーの先進正極材料として研究されてきました。
MITの研究者は、この材料がEV、携帯電話、再生可能エネルギー貯蔵のために高エネルギー・低コストの蓄電を実現できることを確認しました。
東京電力大学核工学教授であるジュ・リーが率いるチームは、DRXPS（無秩序ロックソルト-ポリアニオンスピネル）を新素材として発見しました。
ポリアニオンと統合された部分的に無秩序なロックソルト正極という新しいカテゴリは、高電圧で高エネルギー密度を提供し、サイクル安定性も向上させることが分かっています。 これは、正極材料においてエネルギー密度とサイクル安定性の間にトレードオフがあるのが一般的であることを考えると、非常に大きな成果です。
「この研究により、私たちは新しい正極化学を設計することで限界を押し上げることを目指しています。」
– 論文の第一著者でNSEのポスドクである黄一萌
では、この新しい材料ファミリーが高エネルギー密度と優れたサイクル安定性の両方を実現できる理由は何でしょうか？答えは、ロックソルトとポリアニオンオリビンという2つの主要正極材料を統合したことにあります。組み合わせることで、両方の利点を得ることができました。
もう一つ関与している要素はマンガン（Mn）です。これは地球上に豊富に存在し、現在の正極に使用されている他の元素に比べてはるかに安価な硬い銀白色金属です。
例えば、マンガンはコバルト（Co）より約30倍、ニッケル（Ni）より約5倍安価で、どちらもバッテリーで一般的に使用されています。 さらに、マンガンは高エネルギー密度の達成に重要な役割を果たします。
「（このような）材料が地球に豊富であることは、非常に大きな利点です。」
– リ、材料科学・工学の教授
研究者によれば、この利点はゼロカーボンの未来にとって非常に価値があるもので、再生可能エネルギーインフラが必要とされる時代に貢献します。
バッテリーはこの転換に重要な役割を果たし、電気自動車による輸送の脱炭素化や、太陽光・風力の間欠性に対応することが可能です。再生可能エネルギーは24時間利用できるわけではないため、エネルギー貯蔵は、夜間や曇り・無風の日など、供給がない時間帯に電力を提供するために不可欠です。
研究者はまた、コバルトやニッケルは比較的希少で高価であることを指摘しています。これらを大量に使用して電力貯蔵容量を急速に拡大しようとすれば、コストが急騰し、材料不足のリスクが高まります。 リによれば、
「エネルギー生成、輸送、その他の真の電化を実現したいのであれば、間欠的な太陽光や風力を貯蔵できる地球に豊富なバッテリーが必要です。これはその夢に向かう一歩だと思います。」
酸素移動性の壁を克服する
ホンダ・リサーチ・インスティテュートUSAとローレンス・バークレー国立研究所のモレキュラーファウンドリーが資金提供し、本研究は無秩序ロックソルト正極が直面する主要課題の一つに取り組みました。
前述の通り、この材料は極めて高い容量で研究されてきました。従来の正極材料が190〜200 mAh/gの容量を持つのに対し、この材料は最大で350 mAh/gに達します。
しかし、非常に高い容量を提供する一方で、材料はあまり安定していません。 これは部分的に酸素レドックスによるもので、正極材料中の酸素原子近傍の電子密度を利用するプロセスです。
酸素レドックスは正極が高電圧で充電されると活性化され、酸素が移動可能となり、電解質との反応や材料の劣化を引き起こします。 このため、長時間のサイクル後に材料は使用不能になります。
これらの課題を克服するため、研究者は材料に別の元素、リン（P）を導入しました。リンは柔らかくワックス状の固体で、接着剤のように働き酸素を固定し、材料の劣化を抑制します。
しかし、単にリンを添加するだけでは不十分です。重要なのは適切な量のリンを加えることであり、これが本研究の最大のイノベーションです。適切な量のPを添加すると「隣接する酸素原子とポリアニオンを形成し、カチオン欠乏のロックソルト構造に固定できる」とリは述べています。
酸素とリンとの強い共有結合により、研究者は酸素の輸送を止めることができました。この方法で、酸素が寄与する容量を活用しつつ、同時に優れた安定性を実現しています。
このように高電圧でバッテリーを充電できる能力は、エネルギー管理システムをシンプルに保つ上で重要です。
「エネルギーの質が高いと言えます。セルあたりの電圧が高くなるほど、バッテリーパック内での直列接続が少なくて済み、バッテリーマネジメントシステムもシンプルになります。」
– リ
この研究は始まりに過ぎず、チームは現在、マンガン、リチウム、酸素、リンの比率や、シリコン、硫黄、ホウ素など他のポリアニオン形成元素の組み合わせを探求しています。
今後は、材料の製造方法も検討し、特にスケーラビリティと形態に焦点を当てます。現在の研究では機械化学合成に高エネルギーボールミリングを使用していますが、粒子サイズは約150nmと小さく、形態も均一ではありません。また、現行手法は実用的なスケールには適していません。
そのため、研究者はより均一な形態と大粒径の粒子を得るために代替合成法を試みています。 これにより材料の体積エネルギー密度が向上し、コーティング手法の導入でバッテリー性能がさらに改善できる可能性があります。将来的な手法は産業規模でのスケーラビリティも必要です。
別の課題は導電性で、無秩序ロックソルト材料に大量の炭素を添加することで改善されました。実際、炭素は正極ペースト重量の20％を占めており、材料自体は導電性が低いのです。
したがって、研究者は炭素含有量を削減する方向でもさらに調査を進めます。性能を犠牲にせずに炭素を減らすことができれば、バッテリーの実用エネルギー密度を高めるために活性材料の割合を増やすことが可能です。
この目的のため、炭素ナノチューブの使用を検討しており、重量比で1〜2％にまで炭素含有量を低減できれば、活性正極材料を大幅に増やすことができます。現在の研究では、ナノスフェアからなる導電性炭素Super Pを使用していますが、効率は低いです。
別の改善策として、厚電極の使用が挙げられ、これによりバッテリーの実用エネルギー密度がさらに向上します。
チームが材料組成を最適化し、厚電極を開発し、均一なコーティングの形態を実現し、炭素含有量を低減し、スケーラブルな合成方法を採用すれば、DRXPS正極ファミリーは電気自動車、グリッド貯蔵、消費者エレクトロニクスへの応用で非常に有望です。
バッテリー分野で先進する企業
多くの企業がこの分野の進展に貢献しており、さらに多くの企業がこれらの開発から恩恵を受ける可能性があります。 (LAC )
ウミコア（UMICY）は、特にカソード技術において持続可能で先進的な材料に関わるバッテリー材料企業の一つです。一方、リチウム・アメリカス社（LAC）はリチウム供給者であり、ヴァーレ（VALE）は鉄とマンガンの世界的リーダーです。では、他の注目企業をいくつか見てみましょう：
#1. Albemarle Corporation (ALB)
主要なリチウム生産者であるAlbemarleは、エネルギー密度を高めて重量を削減し、航続距離を伸ばすバッテリー技術の開発に取り組んでいます。これはEVバッテリー向けリチウムの世界最大手の一つです。同社のクリーンエネルギー需要に応える提供内容には、カソードソリューション、アノードソリューション、電解質ソリューション、バッテリーケースが含まれます。
ALB 価格チャート
時価総額は98.4億ドルで、株価は現在83.66ドル（年初来41.6％下落）です。EPS（TTM）は-4.73、P/E（TTM）は-17.67、配当利回りは1.94％です。2024年第二四半期には、同社は売上高14億ドルと調整後EBITDA3.86億ドルを報告しました。営業キャッシュフローは3.63億ドルで、前年同期の2.89億ドルから増加しています。Albemarleはまた、1.5億ドル以上の生産性向上効果も達成しました。
#2. QuantumScape (QS)
QuantumScape (QS ) は固体電池用リチウム金属バッテリーの開発企業で、エネルギー貯蔵の変革を目指しています。同社は業界初のアノードレスセル設計を開発し、材料コストを削減しながら高エネルギー密度を実現しました。今年、QuantumScapeはVolkswagenのバッテリー会社PowerCoと提携し、QuantumScapeの技術プラットフォームに基づくバッテリーセルの大量生産ライセンスを付与しました。
QS 価格チャート
時価総額は27.5億ドルで、株価は現在5.51ドル（年初来19.78％下落）です。EPS（TTM）は-0.95、P/E（TTM）は-5.78です。2024年第二四半期には、同社は資本支出1,890万ドルを報告し、GAAP営業費用は1億3,450万ドルでした。四半期末の流動性は9億3,800万ドルでした。
結論
バッテリーの広範な使用と市場規模を考えると、新しく高度なバッテリー技術の研究・開発が活発に行われています。最新の研究で示されたように、新しい正極材料は「1,100 Wh kg⁻¹を超える高比エネルギー密度と、100サイクルで70％以上の保持率」を実現し、マンガンや鉄といった地球に豊富な元素から作られる正極への道を開きました。
リチウムイオンバッテリーはクリーンエネルギー転換の重要な一部と見なされているため、こうした研究は「安価で高性能な正極材料」の開発を通じて、成長と価格低下を継続させることを保証します。
これはエネルギー貯蔵の有望な未来を示しており、環境への影響を最小限に抑えつつ、増大する世界的需要に応える可能性があります。
