エネルギー
EV電池の容量低下に水素が関与？自己放電の新たな経路を解明
Securities.io を Google の優先ソースに追加
バッテリーのエネルギー損失
リチウムイオン電池は電子機器や電気自動車（EV）で広く使われていますが、その劣化機構には未解明の部分があります。課題の一つが、使わずに置いていても蓄えた電荷が減る自己放電です。自己放電と、充電しても回復しない容量劣化は関連する場合がありますが、同じ現象ではありません。寿命は材料、温度、充放電条件などによって異なります。
コバルトを減らした電池材料でも、安定性や寿命の確保は重要です。コバルトにはコストや一部の採掘における人権上の懸念があり、代替材料の開発が進んでいます。
従来の自己放電モデルでは、電解液から正極へのリチウムイオンの移動が重視されてきました。新しい研究は、これに加えて別の経路があることを示しました。
研究者は、炭酸エステル系溶媒から正極酸化物への水素移動が自己放電を引き起こす経路を明らかにしました。プロトン（水素原子核）を含むこの反応を理解することで、材料や電解液の設計改善につながる可能性があります。
彼らはこの成果を、Scienceという権威ある誌に「層状正極における溶媒を介した酸化物の水素化」というタイトルで掲載しました。
この研究には、コロラド大学、米陸軍DEVCOM研究所、SLAC国立加速器研究所、アルゴンヌ国立研究所、パシフィック・ノースウェスト国立研究所、ヒューストン大学、国立再生可能エネルギー研究所、オレゴン州立大学、スタンフォード大学、ローレンス・バークレー国立研究所、国立台湾大学などの研究者が参加しました。
従来のパラダイム
リチウムイオン電池の放電時には、リチウムイオンが電解質を通って負極から正極へ移動し、電子は外部回路を流れます。充電時にはこれと逆の過程が起こります。
出典: ResearchGate
自己放電の従来モデルは、電解液から正極へリチウムイオンが移動する過程に注目していました。一方、電池の長期的な容量劣化には、活性リチウムの損失や電極の構造変化など複数の要因があります。
電池の改良では、イオンの移動や電極反応を安定させる研究が続けられてきました。今回の発見は、それらがすべて誤りだったという意味ではなく、新たな反応経路を加えて理解を深めるものです。
水素がリチウムの位置を奪う
研究者は、米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所にある強力なX線装置などを使い、電池材料を詳しく分析しました。
研究では、電解液の溶媒に由来する水素が、リチウムが抜けた正極酸化物へ移ることが示されました。この水素化は自己放電につながり、リチウムイオンが利用する構造にも影響します。水素分子がそのまま正極へ侵入する、という単純な説明とは異なります。
対象となったのは、層状の遷移金属酸化物を使う正極です。
自己放電後の正極では、プロトンとリチウムイオンの濃度勾配が逆向きに形成され、化学的・構造的な不均一性が生じました。これは材料の劣化を加速させる要因になります。
つまり、水素移動は電荷の損失だけでなく、正極内部の状態のばらつきを通じて寿命にも影響し得ます。ただし、電池劣化のすべてを水素だけで説明できるわけではありません。
考えられる応用
EVの課題への対応
EV用電池では、航続距離、価格、寿命、安全性のバランスが重要です。コバルトを含まないリン酸鉄リチウム（LFP）電池なども広く使われていますが、各材料には異なる利点と制約があります。自己放電や劣化の理解は、それぞれの性能改善に役立つ可能性があります。
バッテリーパックの寿命が車体全体より短くなる懸念や、予測できない追加費用が発生することは、EVへの乗り換えを阻む大きな要因です。特に多くのEVモデルは依然として購入価格が高めです。
電池の交換が必要になると、材料の採掘、製造エネルギー、回収・リサイクルの負担も生じます。寿命の延長はこうした環境負荷を減らすうえでも重要です。
正極の寿命改善
水素移動という経路を理解すれば、正極の表面処理や保護膜によって反応を抑える方法を検討できます。
また、溶媒からの水素移動が起こりにくい電解液を設計することも、今後の研究課題です。これらは提案される改善方向であり、実用電池での効果は検証が必要です。
固体電池
全固体電池にも電解質はあり、液体ではなく固体の材料を使います。そのため、今回調べられた炭酸エステル溶媒を介する反応は、同じ形では起こらない可能性があります。
ただし、固体電解質にも界面反応など独自の劣化要因があります。今回の研究だけで全固体電池が水素関連の問題を完全に免れる、あるいはその性能を説明できるとは言えません。
先進バッテリー技術への投資
電池は、化石燃料への依存を減らす電化の重要な基盤です。より安価で信頼性が高く、長寿命の電池は、交通や電力システムの改善に役立ちます。
電池関連企業にはさまざまな証券会社を通じて投資できます。securities.ioでは、米国, カナダ, オーストラリア, 英国, その他の多くの国の証券会社を紹介しています。
個別の電池関連企業を選ぶ代わりに、電池関連ETFのAmplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)、Global XのLithium & Battery Tech ETF (LIT)、またはWisdomTree Battery Solutions UCITS ETF などを調べる方法もあります。複数の企業への分散投資が可能ですが、組入銘柄や費用、対象市場は商品ごとに異なります。
また、「投資すべきトップ10バッテリーストック」と「トップ10バッテリーメタル＆再生可能エネルギー鉱業株」の記事も参考にできます。
先進バッテリー企業
1. CATL (300750.SZ)
CATLはEV用電池の大手メーカーで、材料から製造、回収に至る幅広い分野に関わっています。同社によると、2023年の世界のEV用電池搭載量におけるシェアは36.8％でした。世界のすべての電池の半分以上を生産している、という意味ではありません。
同社はリチウムイオン電池で大きな事業基盤を持ち、新たな材料や構造の開発も続けています。
CATLは、次のような電池技術についても発表しています。性能値は同社が示した条件や開発段階に依存します。
- 電力貯蔵向けの1万2,000サイクル級の長寿命電池。長期目標として1万8,000サイクルを掲げています。
- 航続距離700km、10分の充電で400km走行分を補えるとするLFP（リン酸鉄リチウム）電池。実際の航続距離や充電性能は車両と使用条件によって変わります。
- エネルギー密度500Wh/kgを掲げる凝縮系電池。電動航空機への応用も開発対象です.
- 初期世代で160Wh/kg、将来目標として200Wh/kgを掲げるナトリウムイオン電池
出典: CATL
CATLは中国でバッテリーリサイクル施設に3.25億ドルを投資. 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%の回収率という顕著な回収率を達成しています。
CATLの事業規模と研究開発は、電池の製造、技術革新、リサイクルにおいて重要な役割を果たしています。ただし、個々の技術の商用化や採算性は別途評価が必要です。
同社はTesla (TSLA )、NIO、Ford、Stellantisなどの自動車メーカーと関係を持ち、Hyundaiとも提携を広げています。
ある電池材料や製造工程で得た知見が、別の技術に役立つ可能性もあります。しかし、異なる化学系へそのまま適用できるとは限りません。規模の経済と技術固有の課題を分けて考える必要があります。
2. BYD (BYDDY)
BYDはEV市場でTeslaなどと競争する大手自動車・電池メーカーです。
同社は充電池事業から成長し、中国を中心に大規模なEV事業を築きました。複数の海外市場にも展開していますが、販売順位は時期、国、車種区分によって異なります。
中国は2023年に日本を上回る自動車輸出台数を記録しました。BYDも海外展開を進め、ハンガリーなどでの工場計画を発表しています。
Seagullのような比較的低価格のEVは、新たな顧客層への普及を狙っています。Seagullはナトリウムイオン電池ではなく、LFP系のBlade Batteryを採用しています。販売価格は市場や仕様によって異なります。
電池メーカーでもあるBYDは、LFP電池市場でCATLと競争しています。市場シェアは対象期間と、搭載量や生産量などの集計基準によって変わるため、特定の数値を世界市場全体に当てはめることはできません。
低価格の中国製EVに対しては、欧州や米国で関税などの貿易措置が取られています。こうした政策はBYDの海外展開や採算性に影響する可能性があります。
一方、BYDは南米、中東、東南アジアなどでも販売を拡大しています。各国には異なる自動車産業、規制、充電環境があり、市場ごとの評価が必要です。
海外市場には成長余地がありますが、人口規模がそのまま購入者数になるわけではありません。需要、所得、政策、競争、サービス網が販売を左右します。
現地生産は輸送費や貿易障壁への対応に役立つ可能性があります。ただし、工場投資や規制対応の費用も生じるため、競争力が自動的に保証されるものではありません。
