グリーンエネルギー革命: 産業廃棄物が次世代バッテリーを駆動

環境問題への認識は、若者も大人も世界中で高まっています。気候変動の脅威とそれが地球にもたらす有害な影響に直面する中、ますます多くの人々が自分たちの行動が環境に与える影響を懸念し、地球を守る運動に参加しています。

PwCの2021年グローバル・コンシューマー・インサイト・パルス調査によると、世界中で調査された消費者の半数が環境に配慮した行動を取るようになったと回答しました。一方、2023年の調査示すと、10人中8人が持続可能に生産された商品に対して最大5％の追加費用を支払う意思があることが分かっています。

2019年の調査結果と比較すると、35％の回答者が持続可能な製品を選択し、37％が環境に優しい包装を求め、41％が可能な限りプラスチック使用を避けていましたが、2021年の調査では同じ項目に対する回答率が10〜20ポイント上昇しています。

持続可能なライフスタイルは、世界中の消費者にとってますます重要になっており、企業やブランドにもより環境に配慮した取り組みが求められています。

この行動変化は歓迎すべきことで、世界で年間約20億トンの産業廃棄物が生産されていることを考えると、産業廃棄物は全廃棄物の約半分を占め、そのうち実際にリサイクルされているのはわずか約2％です。実際にリサイクルされているのは約2％です。

産業廃棄物の主な原因は、金属加工、化学製造、食品加工、医薬品製造、石油・ガス採掘など、さまざまなプロセスの副産物です。適切でない廃棄物管理はさらに多くの産業廃棄物を生み出し、環境に悪影響を及ぼします。

しかし、消費者の意識が高まると同時に、より多くの国が効果的な廃棄物処理に注力し、産業廃棄物管理ソリューションへの需要が急速に拡大しているため、世界の産業廃棄物管理市場は$1.79 billion by 2032に成長すると予測されています。新技術の台頭と生成される廃棄物の種類がますます複雑化していることも、この成長を後押ししています。

米国においては、産業廃棄物管理市場はさらに拡大が見込まれ、期間中に推定で$323.81 billionに達すると予測されています。

廃棄物管理に加えて、研究者や企業はアップサイクル、製品再設計、生分解性代替品、循環経済モデル、微生物ソリューション、革新的なリサイクル技術など、廃棄物処理の他の方法も模索しています。

「ゴミを宝に変える」取り組みは研究者の最新の試みです。私たちは最近、コーネル大学の研究チームが電子廃棄物から金を抽出し、CO₂を有機材料に変換する触媒として利用した事例を共有しました。

新たな研究では、産業廃棄物からグリーンバッテリーを開発し、スマートフォンや自動車などのデバイスに使用される従来のバッテリーに代わる選択肢を提供しようとしています。

現在使用されているバッテリーはリチウムやコバルトといった金属に依存しており、これらは侵襲的で集中的な採掘によって供給されています。

電気自動車の急速な普及や、eバイク、消費者向け電子機器、エネルギー貯蔵、電動工具などバッテリー集約型アプリケーションの需要増加は、金属ベースのソリューションからの転換と、グリーンエネルギー移行を促進する必要性を示しています。

産業廃棄物を活用したエネルギー貯蔵

再生可能エネルギー資源への依存が高まる中、ノースウェスタン大学の研究チームは、グリッドの需要に応えるためエネルギー貯蔵容量の拡大を提唱し、産業規模の有機廃棄物を効率的な貯蔵ソリューションに変換しました。

本研究は赤血流電池（RFB）に焦点を当てました。RFBは柔軟性、スケーラビリティ、長寿命サイクリングが可能な充電式バッテリーとして注目されています。

赤血流電池市場は現在バッテリー市場のごく一部に過ぎませんが、2024年の300百万ドル未満から2033年には10億ドルを超える規模へ成長すると予測されています。この拡大は再生可能エネルギーへのシフトの増加、大規模で信頼性の高いエネルギー貯蔵ソリューションの必要性、政府の支援策、そしてバッテリー効率向上とコスト低減を目指す技術革新によって牽引されます。

RFBの進歩により大規模エネルギー貯蔵が実用的になっていますが、エネルギー密度が低いという課題があります。

近年、酸化還元活性有機分子（ROM）の安定性向上が進んでおり、これらは大規模エネルギー貯蔵用の持続可能なRFB構築に有望な候補と見なされています。しかし、評価されている多くのROMは多段階合成が必要で、出発原料の入手が限られているため実用化が阻まれています。

さらに、アノライトの安定性が不足していることも問題です。アノライトはRFBで使用され、電気化学反応を通じて電力を生成しエネルギーを蓄えます。使用するアノライトの種類は容量、可逆性、安定性に影響します。

そこでノースウェスタンの研究者は、産業廃棄物由来の有機化合物をROMとして非水系RFB（NARFB）に活用することに取り組みました。多数のバリエーションがグリッド規模で研究されている中、廃棄有機材料の利用はこの分野で初めての試みです。

対象となる廃棄分子はトリフェニルホスフィン酸化物（TPPO）で、年間何千トンもの産業廃棄物副産物として生成されます。この化学的に安定した副産物は利用価値が乏しく、処分が課題となっていました。

価値のない副産物は、前駆体であるトリフェニルホスフィン（TPP）の優れた反応性のためにのみ容認されてきました。

ノースウェスタン大学、米国エネルギー省基礎エネルギー科学局、そして全米科学財団大学院研究奨励金の支援を受け、研究者は「ワンポット」反応でこの廃棄物を有価製品に変換することに成功しました。得られた溶液はエネルギー貯蔵手段として大きな可能性を示し、廃棄物由来有機赤血流電池の実現への道を開きました。

「我々の発見は、廃棄化合物を有価資源へ転換する可能性を示しており、バッテリー技術のイノベーションに持続可能な道筋を提供します。」

– ノースウェスタン大学化学部ウィーンバーグ・カレッジ・オブ・アーツ・アンド・サイエンスの准教授であり、リードオーサーのクリスチャン・マラピット

エンジニアや材料科学者がバッテリー研究を主導していますが、合成化学者も「有機廃棄物をエネルギー貯蔵分子へ分子設計することで分野に貢献できる」と指摘しています。

リチウムや固体電池ほど一般的ではありませんが、赤血流電池は液体または固体電極に大量のエネルギーを蓄える従来のバッテリーとは異なり、電解質間の化学反応でエネルギーの流れを制御して貯蔵します。

最新の発見により、RFBは有機分子を利用しながら高い安定性とエネルギー密度を実現し、金属系バッテリーに迫る性能を示しています。

この二つのパラメータは、マラピット研究室の博士課程学生であるエミリー・マホニーの言葉を借りれば「従来は同時に最適化が難しい」とされてきましたが、廃棄物由来分子で実証されたことで「非常にエキサイティング」だと述べています。

しかし、エネルギー密度と安定性の両立には、電子が時間とともに容量を失わずに緊密に配置できる手法が必要です。研究チームは、半世紀前に報告されたホスフィン酸化物の電気化学に関する論文からヒントを得ました。

本研究は、ホスフィン酸化物をバッテリー研究における酸化還元活性成分として使用した「初例」となります。

還元ホスフィン酸化物は従来極めて不安定とされていましたが、今回の分子工学的アプローチによりその不安定性が克服され、エネルギー貯蔵への応用への道が開かれました。

分子の性能評価のため、研究者は静的な電気化学的充放電実験を実施しました。350サイクルの充放電を経てもバッテリーは優れた健康状態を保ち、容量低下はごく僅かでした。

350サイクルで容量低下がほとんど見られなかったことは、同分子が「優れた性能だけでなく資源の持続可能性」でも分野をリードできることを示しています。

赤血流電池に関しては、産業化学廃棄物であるトリフェニルホスフィン酸化物の利用に加えて、革新的な膜設計、DMQAを電解質材料として使用、およびTEMPOカソードのヒルシュフェルト電荷調整などの研究もRFBの進展に寄与しています。

他産業の廃棄物がバッテリー技術を支える

重要なブレークスルーではありますが、本研究だけが未リサイクルの産業廃棄物を有用製品に転換したわけではありません。長年にわたり、さまざまな研究が廃棄物を活用してバッテリー技術の向上に貢献しています。

例えば、鉄鋼製造の副産物であるスラグはエネルギー貯蔵材料として検討されており、ある研究では、スラグ粉末（SSP）とガラス粉末（GP）を用いたグリーン構造スーパーキャパシタセル（SSC）を作製し、強度と面容量の両面で優れた多機能性を示しました。

別の研究では、スラグの熱性能を評価し、感熱蓄熱材として有望であることが示されました。Na2CO3で活性化することで、熱蓄熱容量が25％以上、熱伝導率が32％以上向上しました。

スラグの利用は研究に留まらず、世界第2位の鉄鋼メーカーであるArcelorMittal(ARRD.DE )(MT )が副産物を熱エネルギー貯蔵に利用し、化石燃料使用を削減しています。同社はLinz-Donawitz（LD）スラグを活用して約30種の新製品を製造しており、道路やフェンス柱の建設、セメント原料、下水処理フィルターなどに使用されています。

スラグに加え、石炭灰や鉱山尾鉱なども耐久性のある炭素貯蔵として活用されています。産業副産物のCO₂貯蔵潜在量は、2100年までに年間29億〜85億トンと推定されています。

フライアッシュは石炭火力発電所の副産物で、バッテリー負極材料としても研究が進んでいます。サウジアラビアの研究者はフライアッシュ炭素をアルカリ金属イオンバッテリーの負極材料として使用し、比較的高い容量と優れたサイクル安定性を示しました。別の研究では、フライアッシュをナノ構造シリコン粉末に変換し、リチウムイオンバッテリーの負極活性材料として適用し、良好な電気化学性能を示しました。

エネルギー生産時に発生する未利用バイオマスや廃棄物も、炭素材料に変換してバッテリー、太陽電池、スーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスに利用できます。廃棄物を活用することで、廃棄物の安全なリサイクルや化石燃料消費の課題も同時に解決します。

バイオマス由来炭素は、植物や動物の廃棄物を人工的に多孔質炭素材料へ変換することで得られます。その構造は高い導電性、表面積、細孔率を持ち、特にスーパーキャパシタなどのエネルギー貯蔵用途に適しています。

炭素材料は高い多孔性と比表面積によりスーパーキャパシタの電極として広く使用されていますが、バイオマス炭素は供給源が豊富でコストが低く、パワー密度が高く、サイクル寿命が長く、環境負荷も少ないという利点があります。

研究者はプラスチック廃棄物を利用して次世代バッテリーの高性能負極を作製する取り組みも進めています。シンガポールの研究チームは、化学的に結合した分子を短い鎖に分解し、廃棄PETボトルからポリマー電解質を製造する方法を開発しました。

さらに、使用済みリチウムイオンバッテリーのリサイクルにより、コバルト、リチウム、ニッケルを回収し、新たなエネルギー貯蔵システムに再利用することが可能です。

世界のリチウム供給は主に塩湖や硬岩鉱石からの一次産品で、オーストラリア、中国、ラテンアメリカに集中しています。一方、コバルト供給は一次産品が10％未満で、残りは銅・ニッケル鉱山の副産物として生産され、主にコンゴ民主共和国が世界生産の65％を占めています。

したがって、使用済みバッテリーの部品をリサイクルすることは、廃棄物削減だけでなく、供給が豊富でも採掘コストや地理的分布の課題を抱える新規原料の需要も低減します。

関連上場企業

それでは、関連産業で先進的な取り組みを行っている企業を見てみましょう。

1. Fluence Energy, Inc.

エネルギー貯蔵ソリューションのグローバルプロバイダーであるFluenceは、Gridstack Pro、Gridstack、Sunstack、Edgestack、Ultrastackを通じてクリーンエネルギー転換を推進しています。また、Fluence IQプラットフォームはAIサービスを提供し、再生可能エネルギーと貯蔵の管理・最適化を支援します。

時価総額30億ドルのFluence Energyの株価は執筆時点で16.56ドルで、年初来4.28％上昇しています。EPS（TTM）は-0.08、P/E（TTM）は-219.92です。9月30日で終了した四半期は、売上高13億ドル、純利益6,770万ドルで初めて黒字転換しました。四半期受注は12億ドル、受注残は約45億ドルに増加しました。現金は5億1,870万ドルです。

CEOのJulian Nebredaは「過去最高の売上と収益性」は「会社の成長軌道における重要なマイルストーン」と述べ、今後は米国市場を中心に世界中でバッテリーエネルギー貯蔵ソリューションへの前例のない需要が見込まれると語っています。

2. Waste Management

産業廃棄物リサイクルに注力するWaste Managementは、住宅、商業、自治体向けに収集、リサイクル、処分サービスを提供しています。

時価総額833億ドルのWaste Managementの株価は執筆時点で207.53ドルで、年初来2.84％上昇しています。EPS（TTM）は6.54、P/E（TTM）は31.71で、配当利回りは1.45％です。

2024年第3四半期は、価格設定の強化、販売するリサイクル商品価格の上昇、埋立量の大幅増加により売上が7.9％伸びました。同社は四半期に8件のリサイクルプロジェクトを完了し、計画中の自動化・新プロジェクトの半数以上が北米全体で年間150万トンのリサイクル容量をもたらしました。

「当社の好調な業績は、コレクションおよびディスポーザル事業が牽引しており、フロントラインの定着率向上、コスト構造の最適化、顧客への差別化サービス提供が利益成長を促進しています。」

– CEO Jim Fish

結論

産業廃棄物は人口増加と技術進歩に伴い増大し、適切に管理されなければ致命的な影響を及ぼします。大気・水質汚染に加えて、土壌劣化、地球温暖化、生態系へのダメージを引き起こします。リサイクルされる割合がわずかである中、産業廃棄物をエネルギー貯蔵媒体に転換する最新の発見は環境に極めて有益であり、持続可能で健康的な未来への道を切り開きます。

トップバッテリーストックの一覧はこちらをご覧ください。