エネルギー
より多くのエネルギー、より少ない二酸化炭素 – 新しいバッテリーテクノロジーの多面的な持続可能性へのアプローチ
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バッテリーか炭素回収か？なぜ両方できないのか
グリーンエネルギーと電化への推進は、主に気候変動の文脈で炭素排出量を削減する必要性に動機付けられています。しかし、太陽光と風力は本質的に間欠的です。
したがって、グリーンエネルギーが電網に供給されれば供給されるほど、ピーク時の発電を蓄え、後で電網に再配分するためにユーティリティ規模のバッテリーがより多く必要になります。ユーティリティ規模のバッテリーは、同じ制約下で動作しないため、電気自動車（EV）とは全く異なる化学組成を使用する可能性が高いです。
- 高密度や軽量である必要はなく、ユーティリティバッテリーは発電所や専用サイトの地上に保管できます。
- 総コスト（建設費＋運用費）に極めて敏感です。
- 大規模に展開するために安価で豊富な材料を使用する必要があり、コバルト、プラチナ、パラジウムなどの金属（理想的にはリチウムさえも）を除外します。
- 容量劣化がなく、数十年規模の非常に長い寿命が求められます。
このことは、以前の記事「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリーテクノロジー」で詳しく取り上げ、当該用途向けに開発中の可能性のある化学組成のほとんどを列挙しました。
これらのバッテリーはすべて、グリーンエネルギーをより経済的に実行可能かつ広く採用できるようにすることで炭素排出量を削減しようとしています。しかし、いずれも排出削減や炭素回収に直接貢献しているわけではありません。
たとえ「CO2バッテリー」と呼ばれるものでも、電力が放電されるとCO2が再放出されます。
このような新しいバッテリーデザインにより、エネルギーを蓄えるだけでなく水素を生成し、炭素を持続的に捕捉できる可能性があります。
炭素回収バッテリー
炭素回収とは、通常排出されるCO2を有用な製品に変換する考え方です。エネルギートラッカーによるさまざまな炭素回収技術に関する記事で詳しく読むことができます。
出典: EnergyTracker
これまで、このようなプロセスは産業プロセスに付加する形でしかなく、炭素捕獲以外に実用的な製品を生み出さない余分なコストと見なされてきました。プロセス自体は有用ではありませんでした。
当社の記事「投資に適したトップ5炭素回収株」で炭素回収の現状をより詳しく議論しました。
オークリッジ国立研究所の研究者らは、炭素回収をグリーンエネルギー電力網とそれに付随するバッテリーの不可欠な部分にする方法を見つけた可能性があります。彼らは『水系Na–CO2バッテリーの不活性化の起源と長時間エネルギー貯蔵の緩和策』というタイトルでJournal of Power Sourcesに研究成果を発表しました。
従来概念のアップグレード
炭素回収バッテリーは、従来の金属‑CO2バッテリーを改良したもので、金属（M）を酸化させながらCO2を出し入れします。金属はナトリウム（Na）、リチウム（Li）、またはマグネシウム（Mg）であり、反応は CO2 ↔ MxCO3 です。
金属‑CO2バッテリーの繰り返し問題は、M2CO3(s)（M = Li または Na）、Al2(C2O4)3(s)、または MgCO3(s) といった固体放電生成物が電極表面に沈着し、多孔質電極構造が詰まることです。
この詰まりはバッテリーに悪影響を及ぼし、容量を急速に低下させます。
この問題を克服するため、研究者はナトリウムとアルミニウムという、どちらも豊富で低コストな材料を用いた2つのバッテリーを開発しました。
Na‑CO2バッテリーは、業界の多くの触媒よりもはるかに安価な鉄‑ニッケル触媒を使用しています。
従来の設計とは異なり、新しいCO2バッテリーはCO2を気体として放出せず、炭酸塩副産物が液体電解質に溶解します。
これらの炭酸塩はバッテリー内に保持することも、蓄積して固体として沈殿した際に回収することも可能です。製薬業界やセメント業界がそれらを利用できます。
放出されるガスは酸素と水素だけで、気候変動に寄与せず、エネルギーや燃料の生成に利用することも可能です。
エンジニアリング課題の克服
このアイデアは非常に印象的で、これまで実現されていなかったことに驚くかもしれません。
その理由は、実際に実現するためにいくつかの技術的課題を克服しなければならなかったからです。
まず、電極は湿潤室と乾燥室に分離され、その間に固体イオン導体が配置されなければなりません。この導体は電子の移動を遅らせ、バッテリー効率を低下させました。
次に、このタイプのNa‑CO2バッテリーは電極上に膜が堆積するというCO2バッテリー特有の問題から免れませんでした。しかし、研究者は高度な顕微鏡とX線装置を用いて、充放電パルスの不均一性が電極上の膜堆積を防止することを発見しました。
「本研究では、無効化されたセルを再活性化できることを初めて報告します。
そして、無効化と再活性化の原因を見つけました。バッテリーを対称的に長時間充放電すると、ある段階で死んでしまいます。我々が確立したプロトコルを使用すれば、故障の可能性は非常に低くなります。
Ruhul Amin – プロジェクトの主任研究者
さらに印象的なのは、これらのバッテリーが蓄えたエネルギーを利用してCO2を捕獲できる点で、再生可能エネルギーの発電がピークに達したときだけでなく、柔軟性が向上します。また、風が弱い、または太陽が出ていないときに化石燃料に依存するピーク電源から炭素を捕獲するのに最適な組み合わせとなります。
商業設計への移行
再活性化可能なCO2バッテリーの概念実証を得た後、チームは実用的なユーティリティ規模バッテリーの要件に合致するよう性能向上に取り組みました。
そのため、Na‑CO2プロトタイプと同様の原理に基づくAl‑CO2バッテリーを開発しました。
プロトタイプは特筆すべき成果を達成しました。具体的には：
- 容量低下なしで600時間（25日）稼働。
- 後で使用できる10時間以上の電力を蓄えることが可能。
次は何があるのか？
水性媒体として海水を使用すると、バッテリーの速度と水素＋酸素生成が大幅に向上し、塩素原子から漂白剤を生成します。そのため、このバッテリーは当初予想された以上に有用な副産物を生み出す可能性があります。
別の課題は、アルミニウム‑CO2バッテリー設計を実際のユーティリティ規模展開に適した大規模へと拡大することです。
現在進行中の別の取り組みとして、ナトリウム‑CO2バッテリーに戻り、バッテリー室を分離する非常に細かく、密度が高く、機械的に安定したセラミック膜を開発し、商業的に競争力のあるバッテリーにすることがあります。
バッテリー企業
以前の制限により、CO2バッテリー企業はほとんど存在しません。しかし、革新的なバッテリー企業で新技術の採用が早い企業は、必要に応じて新しい化学組成を開発するためにこの分野の進展を活用できるでしょう。
1. BYD Company Limited (BYDDF)
BYDは中国のトップEV企業で、2022年に1,860,000台の車両を販売し、売上高は200億ユーロ（2022年）で、国内最大手の民間企業の一つです。
同社は2000年にモトローラ向けリチウムイオンバッテリーの最初のサプライヤーとして始まり、2003年には自動車事業に参入しました。現在はバス、鉄道、半導体、バッテリーエネルギー貯蔵にも事業を展開しています。
出典: Byd Company
その規模の大きさのおかげで、「BYDはLGを抜いて世界で2番目に大きいEVバッテリーサプライヤーとなった」
EV市場を超えて、BYDはテスラと同様に、膨大なバッテリー供給を他の市場でも活用しようとしています。特に、コバルトフリーのリン酸鉄リチウム化学を採用した住宅向け「Battery-Box」を発売しました。また、太陽光と蓄電を組み合わせた「New Energy」パッケージも提供しています。
Battery-BoxとNew Energyを組み合わせたBYDエネルギー貯蔵システム（ESS）は、14 GWh以上の蓄電容量を出荷しています。
BYDは鉱物バッテリーセルからバッテリーパックまでのサプライチェーン全体を所有しています。これにより、2022年に新たな子会社を設立し、古い自動車バッテリーを固定貯蔵として利用したり、完全なバッテリーリサイクルを行う独自のリサイクルソリューションを構築しました。
BYDは現在、特にヨーロッパで海外展開を拡大しており、まだ小さい市場シェアを4倍にする計画や、ハンガリーで年産15万台の生産能力を持つ現地生産拠点を持ち、これを30万台に倍増させることも検討しています。
これにより、現地メーカーやテスラに対する圧力が高まり、価格は現在ガソリン車と同等の範囲に入ります。
米国での拡大は、米中対立がエスカレートする中で慎重に進められており、2024年春に中国車に対して100％の関税が課されました。
出典: BYD
南米、アジア、ヨーロッパでの強い成長見通しと、中国というEV最大市場での支配的な地位を持つBYDの株式は、テスラに比べて知名度が低く、評価倍率も低い代替銘柄です。
2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)
中国のCATLは、バッテリー出荷量で判断すれば、世界で圧倒的に最大のバッテリー企業です。2022年には、世界のバッテリー出荷量のほぼ半分をGWhベースで生産しました。
また、最先端のリン酸鉄リチウムバッテリーも保有しており、低コストEV向けにより安価で「十分に高密度」なバッテリーを実現する解決策となり得ます。
CATLのバッテリー化学に関する専門知識は他の選択肢にも及びます。特に、2021年に発表された160 Wh/kgのナトリウムイオンバッテリーは注目に値します。リチウムの代わりに豊富で安価なナトリウムを使用することで、近年価格が非常に変動し高騰しているリチウムへの代替策が提供されます。また、リチウムが依然として必要な用途向けに、CATLはボリビアでのリチウム生産開発に14億ドルを投資しています。
しかし、バッテリー性能に関しては、CATLは最前線に立っています。まず、330 Wh/kgの超耐久「ミリオンマイル」バッテリーを発表し、5分で80％まで充電でき、商業化の準備が整っています。このバッテリーは将来的にテスラが使用する予定で、高性能EVの新たな標準となるでしょう。
また、最近では500 Wh/kgの記録的な「凝縮」バッテリーを発表し、長距離EVや航空機を駆動できるほどの高密度を実現しました。さらに、バッテリーが低温環境での性能を向上させる方法を見つけたと主張していますが、これは依然として技術の弱点であり、寒冷国のEVにとって課題です。
テスラやBYD、あるいはトヨタのような野心的な新規参入者など、EVリーダーは独自のバッテリー技術を開発して差別化を図ろうとしています。しかし、ドイツ、米国、日本の自動車メーカーを含む自動車業界全体は、先進バッテリー競争に追随するためにパートナーを求めています。具体的には、Ford、Nio、BAIC、Volvo＆BMW、Honda、Mercedes Benzなどが含まれます。
CATLはバッテリー製造における規模の経済から最大の恩恵を受ける生産量を有しています。その大規模な販売量は科学的専門知識と大規模な研究開発予算に直結し、さらなるブレークスルーを可能にします。自動車メーカーでないため、BYDやテスラといった直接的な競合他社よりも、業界の多くにとってより良いパートナーとなります。
現在のところ、同社は主にEVに注力していますが、中国の再生可能エネルギー生産が拡大し技術が成熟すれば、ユーティリティ規模バッテリーへとシフトする可能性があります。
総合すると、CATLが世界のバッテリー生産リーダーであり続ける説得力のある根拠となります。しかし、米中間の緊張が高まっていることは忘れてはならず、同社の株は世界最大の2経済大国間の権力闘争の真ん中に巻き込まれる可能性があります。
