エネルギー

ハニカムバッテリーが固体電池に対抗できる可能性

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世界を電化するバッテリー

Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even mass drivers to conquer space.

それらは、夕方の太陽光パネルや風がない日の風力タービンのエネルギー生産曲線を平滑化することで、電力網をグリーン化するためにも不可欠です。

出典: Statista

現在、バッテリー技術はリチウムイオン技術に支えられており、この発見は2019年に化学賞ノーベル賞を受賞するほど重要でした (詳細は 当サイトの専用記事でその歴史をご覧ください).

しかし、リチウムイオンバッテリーには深刻な制限があります。時間とともに、金属リチウムのスパイク（デンドライト）が各充放電サイクルで少しずつ成長します。これによりデンドライトがバッテリーの部品を貫通し、ショートが発生する可能性があります。さらに、リチウムイオンバッテリーは可燃性電解質を使用しているため、バッテリー火災は非常に高温になり、消火が困難です。

この問題は、LFP（リチウム・フェロ・リン酸）化学を含むすべてのリチウム系バッテリーにある程度共通しています。少なくとも今までは。

出典: Nobel Prize

長い間、代替案はナトリウムイオンのような全く異なる化学や、電解質を全く使用しない固体電池といった別のバッテリー概念と考えられてきました。

しかし、実際にはそうではないかもしれません。主要バッテリーメーカーのCATLは、新しい「ハニカム」設計により、5年間の集中的使用でも劣化の兆候が全く見られないバッテリーを実現できると発表しました。

この設計は、現在の技術を主に使用しながら、固体電池と同等のエネルギー密度を持つバッテリーを作ることが可能です。

ハニカムでより多くの電力を蓄える。

バッテリーが劣化しデンドライトが成長する主な理由は、リチウムイオンがアノードのマトリックスに入るたびに、材料が収縮・膨張するからです。

収縮・膨張の管理は、固体電池の開発を阻んできた重要な課題の一つでもあります。CATLは、アノード材料に複雑なハニカム状構造を開発することで解決策を見つけたと主張しています。

このアイデアは全く新しいものではなく、研究者によってすでに提案されていました。例えば、2020年の科学論文「Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure」がそれです。

出典: Phys.org

同社は10分で600kmの走行距離を追加できる新しいLFP（リチウム・鉄・リン酸）バッテリーを発表しました。総走行距離は1,000km（600マイル）を超える可能性があり、将来のEVオーナーの「航続不安」を完全に解消します。

全体として、1秒あたり1km相当の走行距離を充電でき、1,000kmのフル充電には16.6分かかります。

新しい密度記録

この驚異的な航続は、Shenxingバッテリーシステムのエネルギー密度が初めて200 Wh/kgの壁を突破し、205 Wh/kgに達したことに起因します。

これは、材料を適切な位置に保ち、充電時のひび割れや収縮を防ぐ「ハニカム」構造のおかげで実現しました。

同社は、バッテリー技術が現在世界で最も競争の激しい分野の一つであるため、製造プロセスの詳細については比較的秘密主義です。特にBYDの次世代ブレードバッテリーが190 Wh/kgを目指すことが注目されています。

製造の秘密

私たちが分かっているのは、彼らが「顆粒階調/ナノメートル被覆」と呼ばれる技術を使用し、セル内の各ナノメートル粒子を正確な位置に配置できるということです。また「高速リチウムイオン導電コーティング」により、バッテリーの2極間のエネルギー伝達を加速させています。

CATLの工場は高度に自動化されており、旗艦工場では新しいLFPバッテリーを1秒ごとに生産できるとされています。

2021年の科学論文から、ハニカム形状の主な利点として、低密度で平面外圧縮・剪断特性が高いこと（材料が平行だが逆方向の力に対する抵抗）が挙げられます。

ハニカム状のグラフェン配置は、シリコンナノ粒子の凝集を効果的に防止し、電気伝導性を向上させ、Li+輸送抵抗を低減します。

CATLが具体的にどのように実現したかは明らかではありませんが、炭素と酸を用いた連続的な熱処理・化学処理でナノハニカム構造を作る手法は既知です。

その他の改善点

バッテリーテクノロジーでは、すべての改善が相乗効果を生み、バッテリーのエネルギー密度を高めます。結果として、一定走行距離に必要なバッテリー容積が減少し、総重量が軽くなることで航続距離や必要バッテリー数がさらに向上します。

ハニカム構造に並行して、CATLは他にもいくつかの改善を発表しました。新バッテリー密度を高める要因の一つは、セル・ツー・ボディ技術（CTB）で、バッテリーパック内でのバッテリー占有スペースを最適化し、容積効率を7％向上させました。

その他の特徴として、超高冷却効率の高電圧ボックスがあり、冷却システムの消費電力を削減します。また、AIインテリジェントバッテリーマネジメントシステムアルゴリズムがバッテリーの安全性を確保します。

充電インフラ

EVの充電インフラは長らく制約要因でした。現在のガソリンスタンドと同等の密度のネットワークが必要で、遠隔地での待ち時間や充電ギャップを防ぐ必要があります。しかし、別の問題として、充電ステーション自体の容量が限界に近づいています。

バッテリーが大容量電力と高速充電に対応できるようになると、充電ステーション自体も高容量が求められます。1,000kmをわずか16分で充電するには4C充電プロセスが必要で、100 kWhバッテリーに対して400 kWの充電電力が必要です。

このため、CATLは当時、充電インフラ市場への参入を発表しました。中国で「Shenxing 超高速充電ネットワーク」を構築し、Star Charge、YKC、Shudao New Energy といった業界トップのパートナーと協業します。

全体として、31の省レベル地域の271の地級市に600のサービス拠点を展開する計画です。バッテリー供給、充電ネットワーク、バッテリー点検・メンテナンスなどのサービスを提供し、閉鎖ループエコシステムを構築することを目指しています。

LFP と EV を超えて

ユーティリティ規模

CATLはユーティリティ規模のバッテリーマーケットでも活動を拡大しており、ナトリウムイオンを検討した後、再びリチウム系化学への関心が高まっています。

特に、TENER コンテナ化バッテリーシステムを用いたパイロットプロジェクトでは、5年間のフル稼働後も容量の劣化がゼロであることが実証されました。

出典: Sustainability Environment

ハニカム構造はおそらくCATLのバッテリーアーキテクチャの中心的要素となりつつあります。明示的に記載はされていませんが、これはTENERに関してCATLが言及した内容と同等と考えられます：

To realize TENER, the company used an SEI with biomimetic ion channels and high stability, together with self-assembled electrolyte technologies creating what it calls an “ageless energy storage system.

Based on state-of-the-art technology and extreme manufacturing capabilities, we have solved the challenges of highly active lithium metals […], which effectively helps prevent the thermal instability caused by the oxidation reaction,”

この前例のないTENERの性能は、固定型バッテリー貯蔵の方程式を完全に変える可能性があります。劣化がないことで安全性が大幅に向上し、バッテリーパックの耐用年数が長くなるため、ユーティリティ企業にとって重要なポイントとなります。

他の化学がこの市場で勝つ可能性もありますが、詳細は「The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech」で議論しました。ただし、リチウムがユーティリティ市場で勝ち残る可能性もあり、これは巨大かつ成長中のEV市場を上回る規模です。

凝縮状態

ハニカム構造が2023年に発表され、近々商業化が期待される「凝縮状態」バッテリーの背後にある可能性もあります。

これらのリチウムバッテリー（LFPではない）は、エネルギー密度が500 Wh/kgに達すると主張されており、最近発表されたLFPバッテリーの2.5倍に相当します。

  1. 高級EV向けに500 Wh/kgの凝縮状態バッテリー、さらには電動航空機など新市場への展開も期待。
  2. 中価格帯EV向けに200 Wh/kgの先進LFP、適切な充電インフラがあれば16分で1,000km走行可能。
  3. 低コストEV向けにナトリウムイオン、走行距離は短め。

固体電池がこのミックスにどのように位置付けられるかは不明です。投資家の中には、第一世代の固体電池設計が、CATLの先進LFPおよび凝縮状態バッテリーの大量生産規模に圧倒されるのではないかと懸念する者もいます。

出典: Nature

先進バッテリー技術への投資

バッテリーは、化石燃料を電源から排除しようとする数兆ドル規模の電化トレンドの中心にあります。

多くのブローカーを通じてバッテリー関連企業に投資でき、securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、およびその他多数の国における最適なブローカーの推奨を掲載しています。

特定のバッテリー企業を選びたくない場合は、Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)、Global XのLithium & Battery Tech ETF (LIT)、またはWisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) などのバッテリーETFを検討すると、バッテリー産業の成長に対する分散投資が可能です。

先進バッテリー企業

1. CATL (300750.SZ)

私たちはすでにCATLの技術的リードについて述べました。同社は世界のバッテリー製造量の半分以上を占めるグローバルリーダーで、バッテリー製造サプライチェーンのすべての段階に関与し、バッテリー技術のリーダーでもあります。

これはリチウムイオンバッテリーにおいても当てはまり、長年にわたりリーダーシップを保持しています。最新の発表と比べると、以前の実績は小さく見えるでしょう。

CATLは過去にも以下のような多様なバッテリータイプで顕著な進歩を発表しています：

出典: CATL

出典: CATL

CATLは中国でバッテリーリサイクル施設に25億ドル（約3.25B）投資。同社はニッケル、コバルト、マンガンの回収率99.6％、リチウムの回収率91％という顕著な回収率を達成しています。

規模、フォーカス、R&Dの成果により、CATLはバッテリーのイノベーション、製造、リサイクルの最前線に立つ可能性が高いです。

これにより、テスラ、NIO、フォード、ステランティスなどのEVメーカーにとって重要なパートナーとなり、最近はヒュンダイもCATLの戦略的提携ロースターに加わっています。

さらに、ある化学で得た教訓は別の化学にも応用できるため、近い将来ハニカムや凝縮状態のナトリウムイオンバッテリーが登場する可能性があります。世界のバッテリー半分を生産する規模の経済は、個々の製品で使用される特定技術に関係なく、同社全体に適用されると考えられます。

(TSLA )

2. BYD (BYDDY)

テスラに対する長年の挑戦者であるBYDは、テスラだけでなく事実上すべての自動車メーカーにとって真剣な競争相手となっています。

同社は元々リチウムイオン携帯電話バッテリーのサプライヤーとして始まり、中国（世界最大のEV市場）でテスラに匹敵するEV販売台数を誇り、タイ、スウェーデン、オーストラリア、ニュージーランド、シンガポール、イスラエル、ブラジルでベストセラーEVとなっています

BYDは2023年に中国が世界最大の自動車輸出国となり、日本を抜いた背景の大きな要因であり、同社の積極的な海外展開はハンガリーに新工場を建設するなど、現地生産によって支えられています。

さらに、10,000〜12,000ドルの価格帯でセイガルなどのナトリウムバッテリー搭載車を発売すれば、BYD EVの新たな市場が開かれる可能性があります。

依然としてバッテリー製造が主軸であるBYDは、LFP（リチウム・鉄・リン酸）バッテリーマーケットでCATLに対抗し、国内シェアは41.1％（CATLの33.9％と比較）を占めています。

BYDが欧米市場に大量供給する「安価なEV」の波は、ある程度の保護主義（最近課された関税を上回る）に直面し、成長を阻む可能性があります。

しかし同時に、安価な中国製EVは、国内自動車メーカーがほとんど存在しない南米、ロシア、アフリカ、中東、東南アジア全域で大きな成功を収めており、これらの地域では西側と中国の両方と良好な関係を保ちたいという地政学的バランスを求める数十億人の潜在顧客が存在します。そのため、過度な保護主義的障壁が生まれる可能性は低いと考えられます。

さらにEUや米国でも、現地EVメーカーの価格が中国製よりはるかに高いため、またこれらの市場向けに中国外での生産（例：東欧、メキシコ、トルコ）をローカライズしていることから、BYDは競争力を維持できるでしょう。

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。