アルミニウム空気電池技術: 廃アルミでEVを駆動

EVの制限を解決するための横断的思考

EVは自動車市場を席巻し、中国やノルウェーなどの国々はすでに高い市場浸透率を誇っています。同時に、いくつかの主要な制限: により多くの国でEVの普及は遅れています。

• 低価格のEVモデルの航続距離が短い。
• 充電速度が遅く、航続距離が短いため頻繁に充電が必要となり、長距離走行が困難になる。
• 数百万台の新しいEVが加わった際に、電力網が対応できるかという懸念。

最初の2つの問題、航続距離と充電速度は、業界が新しい電池化学や、より高速で密度の高い充電ステーションネットワークで解決しようとしています。しかし、これは依然として難題です。新しい電池の可能性については、当社の記事「The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech」で詳しく取り上げました。

電力網の問題は、再生可能エネルギーの発電が間欠的であることによりさらに悪化します。人々が仕事や通勤から帰宅する夕方にEVが大量に充電を始めても、太陽光発電が利用できない状況では歓迎されません。

しかし、新しいコンセプトはこれらすべての問題を一度に解決できるかもしれません。ICE（内燃機関）と液体化石燃料、あるいはEVと電池のどちらかを選ぶ代わりに、完全にリサイクル可能な燃料でEVを「給油」できたらどうでしょうか？

アルミニウムのエネルギー潜在力

アルミニウムは地球上で非常に一般的な元素です。実際、鉄よりも多く、地殻の8％を占める最も一般的な金属です。また、原料のボーキサイトからアルミナ、そしてアルミ金属へと製造する過程で大量の電力を必要とします。そのため、アルミニウムは時に「凍った電気」と呼ばれることもあります。

見た目は穏やかですが、適切な条件下では非常に反応性の高い金属で、花火や宇宙シャトルの固体ロケットブースターの推進剤としても使用されてきました。実際、アルミニウムはディーゼルやガソリンの2.5倍のエネルギー密度を持ちます。これがアルミニウム空気電池の登場です。

アルミニウム空気電池は、アルミニウムの酸化還元反応を通じて電気を蓄え、生成します。アルミニウム金属が空気と反応し、現在利用可能なバッテリー技術の中で最も高いエネルギー密度の一つを提供します。重量はリチウムイオンの8倍軽く、サイズは4倍小さくなります。

アルミニウム空気電池は、アルミニウムイオン電池（リチウムイオンに似た別金属を使用）と混同しないでください。

出典: Energy Post

アルミニウム空気電池の利点

陰極が大気中の酸素だけで済むため、金属陰極が不要となり、競合他社に比べてバッテリーが非常に軽量になります。

もう一つの利点は、実質的に「電気エンジン」としてアルミニウムを燃料とし、従来のバッテリーシステムのように放電時に電圧が低下しないことです。

制限としては、アルミニウムを消費するため、バッテリーを差し込むだけで再充電できません。そのため、リチウムイオン電池よりも一般的な単三電池に近い原理です。液体燃料の給油や10〜15分の電気充電の代わりに、約90秒で交換できるバッテリー交換システムが必要となります。

代替案として、アルミニウム空気電池と充電式電池を組み合わせることで、必要に応じて直接充電またはアルミニウム駆動を柔軟に選択でき、ハイブリッド車に似ていますが化石燃料は使用しません。

インフラの利点

アルミニウム空気電池の大きな利点は、アルミニウムリサイクルのための確立された効率的で大規模な産業が既に存在することです—リチウムイオン電池にはまだ欠けている点です。

つまり、原料調達において、アルミニウム空気電池産業は古い建物や機械、航空機から回収したスクラップアルミニウムを使用でき、同時に電力を生成できます。全体として、リチウム、ニッケル、コバルト、レアアースなどの重要で汚染性が高く高価な資源は不要です。

前述の通り、バッテリー交換により、EVが充電ステーションに来た際に即座に充電する必要がなくなるため、電力網への負荷が軽減されます。代わりに、余剰で生成された再生エネルギーを用いてアルミニウムの再生とバッテリーの充電が行えます。

さらに、アルミニウムは環境に優しい電力で再生できるだけでなく、安価に保管できる安定した無毒の固体金属で、酸化が少ないため長期間のエネルギー貯蔵が可能です。バッテリーやアンモニア、または水素に比べてはるかに低コストで保管できます。

アルミニウムの大量輸送は水素のような特別なインフラを必要とせず、通常のトラックや列車で行えます。

アルミニウムコスト – 出典: RiAlAiR

アルミニウム空気電池の欠点

アルミニウム空気電池の制限は、密集したバッテリー交換ステーションネットワークが必要なことです。EVの標準化が進んでいないことや、十分に密なネットワークを構築するコストが原因で、バッテリー交換はしばしば失敗したアイデアとされています。さらに、EV業界は車体フレームに統合された「構造バッテリー」へと移行しているため、従来のバッテリー概念での成功はさらに難しくなります。

以下の企業（下記参照）は、アルミニウム空気電池のバッテリー交換を手作業で可能にする技術に取り組んでおり、プロップァンボトルのようなシンプルな自動供給装置で済むようにしています。いずれにせよ、使用済みバッテリーの回収・再構築・再充電のインフラ整備が必要です。

概念自体は新しくなく、1960年代に最初に構想されました。当時は電解質の毒性が技術の進展を阻んでいました。他にも、空気陰極に関する技術的課題が大きく、主に以下の点が挙げられます：

「酸素還元反応の遅い効率が応用の障壁となっています。他の問題としては、アルカリ電解質とCO2の反応で炭酸塩沈殿が生成されること、開放空気への水分蒸発（電解質の乾燥）および電解質が空気陰極の孔に浸透することが挙げられます。」 – Source: Automotive Logistics

アルミニウム空気電池企業

1. Aluma Power

Aluma Powerはカナダの企業で、Aamjiwnaang First Nationの土地に所在しています。

Aluma Powerは、全サイクル効率を43％と見込み、アルミニウムがまず自動車フレームや建物、航空機、温室、船舶などの他用途に使用され、再び燃料としてリサイクルされる場合は700％の効率になると想定しています。

出典: Aluma

Aluma Powerの独自アプローチは、陽極の腐食や摩耗といったアルミニウム空気電池の制限を、陽極を回転させる機械的手法で緩和することに焦点を当てています。この設計は、エンジンブロックやソーダ缶のように溶解したスクラップアルミニウムを使用可能です。米国特許 US10978758B2に記載されています。

燃料ディスクは数分で交換でき、最大130時間の使用が可能です。

出典: Aluma

同社は、ディスクシステムにより既存企業に比べて資本コストを70％削減でき、”ストレージ・アズ・ア・サービス”の労働コストも低減できると主張しています。

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

フランスのMétalectriqueと英国の子会社MALは、アルミニウム空気電池を開発しています。同社の主要な知的財産は、陽極腐食と孔詰まりの問題を軽減するとされる独自の電解質化学です。

同社のウェブサイトはやや簡素で、主にニュース記事へのリンクと2024年の製品リリース予告が掲載されています。これは、2021年第4四半期に発売予定とされた以前の発表と比較すると懸念材料となります。

同社は3つの異なる製品コンセプトに注力しているようです:

• EV向けの300マイル走行可能なレンジエクステンダーで、2つの大手自動車メーカーと協議中です。
• 1,500マイル走行可能なEVバッテリー。MALは英国でこれらのバッテリーを大量生産するため、Austin Electricと数百万ポンド規模の契約を締結しました。
• £3,500のコンバージョンキットで通常の燃料車をハイブリッドに変換します。

MALは、バッテリーの製造コストが1kWhあたりわずか36ドルで、リチウムイオン電池の約180ドル/kWhと比較して大幅に低いと主張しています。バッテリーの償却費を含めると、走行コストは£0.08/マイルとなり、リチウムイオンの£0.50/マイルと比べて格段に安くなります。

この技術は航空機、防衛用バッテリー、島嶼部の遠隔電源にも応用可能です。

3. RiAlAiR

同社はボートおよび漁業向けのアルミニウム空気電池の製造に注力しています。バッテリーのサブスクリプションサービスを提供し、初期費用を削減し、汚染と高燃料費の低減に貢献しています。

漁船やタクシーボートなどのプロフェッショナルユーザーに焦点を当てることで、燃料コスト削減の経済的メリットが直接的に響き、ビジネスケースは緑色エネルギーの議論に依存せず、収益性向上だけで成立します。

化石燃料から電動ボートへの切り替えは、船体に太陽光パネルや風力タービンを設置してエネルギー供給を補完できる可能性を開き、燃費と船の自律性をさらに向上させます。

出典: RiAlAiR

最後に、電動パワートレインはボート推進においてより効率的で、エネルギーの92％が推力に変換されます。一方、燃料駆動ボートはわずか35％で、差はICEエンジンの熱的・機械的損失によるものです。

現在、数百万隻の漁船が年間500億リットルの燃料を消費しており、世界の燃料消費の1.2％を占めています。その大半はトン数が20トン未満、全長12メートル未満で、主にアジアに位置しています。また、1500万隻のレクリエーションボートが、より環境に優しい電動推進へ切り替える可能性があります。

出典: RiAlAiR

電動推進はボートにおいてはこれまで実用化が難しいとされてきましたが、常に課題となっていたのはバッテリーのエネルギー密度です。最新のアルミニウム空気電池設計はこの問題を解決できる可能性があり、ニッチながらも収益性のある市場を創出できるでしょう。

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergyは、我々が見つけた中で唯一上場しているアルミニウム空気技術に関わる企業です。イスラエルの同社はアルミニウムと亜鉛系バッテリーの両方を開発しており、電力バックアップ、モビリティ/EV、エネルギー貯蔵の市場を対象としています。また、コンテナ化バッテリーを用いた海洋エネルギーの可能性も検討しています。

同社は最近、インドの通信会社Indus Powerに300台の電力バックアップシステムを提供する契約を締結し、さらにCellnexとの成功裏のテスト（別の通信会社）も実施しました。また、主要なクラウドデータセンター企業でもシステムのテストを行っています。

さらに、2023年1月にプロトタイプの電動Tata乗用車を披露しました。インドは同社の輸出戦略の中心であり、Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) （インド最大のアルミニウムメーカー）とのエコシステム構築に関する協定を締結しています。

5. Log9

このインド企業は、国内初のリチウムイオン電池セルメーカーであり、独自のバッテリーマネジメントシステムも製造しています。同社は電池、グラフェンウルトラキャパシタ、アルミニウム燃料電池（AFC）を生産しています。

同社は2020年にアルミニウム空気電池に取り組む45人のチームがあると報じられました。また、2021年には単一充電で3,000km走行可能なラストマイル配送車のプロトタイプについても議論しています。

最近では、同社は主に高速充電リチウムイオン電池に注力しているようで、アルミニウム空気電池に対する目標が達成されているかは不明です。しかし、技術は依然としてウェブサイトのホームページで目立つ形で紹介されています。

結論

アルミニウム空気電池、あるいはアルミニウム燃料電池と呼んだ方が適切かもしれませんが、従来のEVおよびバッテリー技術への興味深い代替手段です。金属固体燃料を提供することで、EV普及の障壁の多くを回避でき、再生可能エネルギーの間欠性問題を「リサイクルされた固体アルミニウム」に蓄えることで解決できます。

現時点では、この技術はまだ初期段階であり、主要な大企業やバッテリー会社はほとんど取り組んでいないようです。これは、概念がEV業界の従来の常識から大きく逸脱しており、全く異なるスキルセットと製造プロセスが必要とされるためです。

また、この技術はグリーン政策や補助金の対象外となりやすく、水素燃料電池技術や充電式バッテリー/EV政策の要件を満たさないためです。インドでは最も歓迎されており、同国は中国に追いつくべくバッテリー技術とグリーンエネルギーの分野で急速に追い上げようとしています。