より安全で、より安価、そしてより強力？アルミニウム電池の約束

高速充電で長持ちする高容量バッテリーは、ポータブルエレクトロニクス、電気自動車、長期エネルギー貯蔵の未来を支える鍵です。

過去数十年にわたり、リチウムイオン電池がこの分野をリードしてきました。リチウムイオン電池は充放電時に正極と負極（すなわちアノードとカソード）間でイオンが移動することでエネルギーをやり取りする充電式電池です。

これらの電池に使用される金属リチウムは柔らかく、銀白色で、非常に反応性が高いです。金属リチウムは全金属中で最も密度が低く、鉱物として化合物中に存在し、チリが最大の生産国です。チリは最大のリチウム埋蔵量を有し、次いでオーストラリアと中国が続きます。中国はリチウムイオン電池でもリーダーです。

これらの電池は実際に大量の水とエネルギーを製造に必要とし、リサイクルも非常に困難です。

したがって、リチウムイオン電池はスマートフォンやノートパソコンなどの携帯型消費者向けエレクトロニクス、電気自動車、太陽光発電のバックアップ用蓄電システムなどで実績を示していますが、次世代のデバイス、長距離車両、電動航空機、グリッド規模の蓄電を支えるために、リチウムイオンを上回る材料が求められています。

このため、研究者はアルミニウムに注目し、より安全で、より安価、そしてより強力な電池の実現に向けた有望な性能を示しています。

アルミニウムがバッテリーの進化にもたらす可能性

充電可能なアルミニウム電池の開発は何十年も前から行われてきましたが、ここ10年ほどで大きく注目を集めるようになりました。研究と関心の高まりにより、アルミニウムイオン電池は充放電速度で卓越した性能を達成しています。

アルミニウムイオン電池に関するすべての開発は、この電気陰性金属がもたらす優れた利点のために重要です。

アルミニウムの独自の特性は、軽量で腐食に強く、熱伝導率が高いことです。

この多用途性により、アルミニウムはさまざまな産業、特に輸送分野で幅広く利用されています。自動車、航空機、鉄道の製造に広く使用されており、軽量かつ強度が高いため燃費向上と排出削減に貢献します。

アルミニウムのもう一つの主要な用途は建設業です。加工が容易で、過酷な環境条件にも耐えることができるからです。アルミニウムは包装、航空宇宙、化学、軍事、電気産業でも広く使用されています。

低密度で電気伝導性が高いことから、アルミニウムは電気導体やコンピュータ、スマートフォン、テレビなどのデバイス、さらには送電線の製造に最適です。

さらに重要なのは、アルミニウムが地殻中で最も豊富に存在する金属元素であることです。低コスト金属であるため、充電可能な電池への使用は、特に大規模な再生可能エネルギー貯蔵システムにおいて、電池コストを大幅に削減できます。

リチウムイオン電池はこれらの用途に対して依然として高価です。コストが高いだけでなく、可燃性の電解質を含むため安全性にも懸念があります。地球上で最も豊富な金属であり、商業的に2番目に豊富な金属（鉄に次ぐ）として、適切な代替素材となります。

安価であることに加えて、アルミニウムは体積あたりの容量が高く、リチウムの4倍、ナトリウムの7倍に相当します。これにより、単位体積あたりのエネルギー密度を向上させる可能性が示されています。

さらに、アルミニウムは不燃性であり、電極としての採用を後押しします。この金属の使用は、リチウムイオン系で一般的に見られる界面層の複雑さも取り除きます。

しかし、アルミニウムに欠点がないわけではありません。パッシベーション、腐食、そして水素発生がアルミニウムイオン電池システムの適用範囲を制限しています。アルミニウムイオン電池のもう一つの課題は、Al3+イオンの高い電荷密度により拡散速度が遅く、電池のレート性能が制限されることです。

これらの課題にもかかわらず、アルミニウムイオン電池は高い比容量、低コスト、軽量、優れた安全性、そして自然に豊富なアルミニウムという特性から、大規模エネルギー貯蔵の有望な候補です。

実用化に向けたアルミニウムイオン電池の探求

航空機の長距離飛行やユーティリティ規模のエネルギー貯蔵といった高エネルギー需要を満たす新しい電池化学が必要とされるため、アルミニウムのバッテリーへの応用は以前から検討されています。従来の電池ではこれらのシステムを駆動するだけのエネルギーが確保できません。

約10年前、スタンフォード大学の研究者が初めてアルミニウムイオン電池が安定し、長時間サイクルできることを明らかにしました。このアルミニウムイオン電池は1分以内にフル充電でき、容量低下がほとんどなく最大7,500回の充放電サイクルを実行できます。

オーストラリア・クイーンズランド大学の研究者が昨年後半に実施した固体電解質界面というAIBコンポーネントに関する技術的課題に取り組んだ研究¹があります。

アルミニウムイオン電池は、リチウムイオン電池と同様に、アノード、カソード、電解質を持ち、アルミニウムイオンが正極と負極の間を移動してエネルギーを運びます。

放電時にはイオンがアノードからカソードへ移動してエネルギーを生成し、充電時には逆に流れてエネルギーを蓄えます。アルミニウムイオン電池は、充放電サイクル中にデンドライトが形成されて短絡を引き起こし、電池故障につながる不安定性に直面します。

研究によると、アルミニウムイオン電池はリチウムイオン電池と同様に事前サイクルが必要であり、これにより寿命を最大化できることが分かりました。この独自の事前サイクル要件を理解すれば、電池の寿命を延ばし、信頼性を向上させる設計が可能となり、実用化に近づきます。

数年前の別の研究では、ジョージア工科大学の研究者がアルミニウム箔を用いて、電気自動車が1回の充電でより長距離走行できる電池を開発しました。

この研究では、研究者が100種類以上の材料を少量ずつアルミニウムに添加し、特定の「微細構造」を持つ箔を作製しました。アルミニウムアノードは従来のアノード材料より多くのリチウムを蓄えることができ、エネルギーが増加し、高エネルギー密度電池の実現につながります。

アルミニウム電池に関するこれらの研究は、将来のより強力なバッテリーテクノロジーへの扉を開く大きな可能性を秘めています。

アルミニウム電池の寿命を延ばす新設計

アルミニウムイオン電池の多くの利点を踏まえ、最近発表された研究²は、持続可能でクリーンエネルギーへの転換を支えるため、コスト効果が高く環境に優しいアルミニウムイオン電池の設計に取り組みました。

持続可能性への世界的な推進に伴い、本研究はエネルギー貯蔵バッテリー技術の進歩に豊富で再生可能な資源を探求する必要性を指摘しています。

そこで研究者は、非可燃性の常温クロロアルミネート系イオン液体電解質を用いた充電可能なアルミニウムイオン電池（AIB）に注目しました。その広い温度適応性、長寿命サイクル、卓越した安全性により、AIBは大規模エネルギー貯蔵システムに非常に適しています。

しかし、従来のAIB用イオン液体電解質は顕著な脆弱性を抱えていました。新しいフレームワークにより、研究者はアルミニウムイオン電池で最も一般的に使用される電解質による腐食問題の克服を目指しています。

電解質である液体アルミニウム塩化物は、アルミニウムアノードを腐食させるだけでなく、湿度に対する感度が高いためこの状態を悪化させます。このため、時間とともに電気性能が低下し、安定性が損なわれます。

この制限を取り除くため、研究者はアルミニウムフッ化物塩という不活性塩を電解質に導入し、Alイオンを含む固体電解質に変換しました。アルミニウムフッ化物塩の3次元多孔構造により、アルミニウムイオンが電解質内を容易にホップし、導電性が向上します。

研究者はさらに、フルオロエチレン炭酸エステルを界面添加剤として使用しました。この薄い固体コーティングは電極上でアルミニウム結晶の形成を防ぎ、電池の劣化から保護します。

これら二つの成分により、チームはバッテリーの耐湿性、熱的安定性、機械的安定性を向上させました。この結果、固体状態のアルミニウムイオン電池は摂氏200度（華氏392度）までの温度に耐え、鋭利な物体からの繰り返しの刺突にも耐えることができました。

バッテリーの寿命に関しては、研究はこの固体状態のアルミニウムイオン電池が10,000回以上の充放電サイクルを経ても、元容量の1％未満の損失で済むと報告しています。

さらに、使用されたアルミニウムフッ化物の大部分は簡単な洗浄で回収可能です。回収されたAlF3は性能低下が僅かで別の電池に再利用でき、バッテリーの製造コストをさらに削減します。

「この新しいアルミニウムイオン電池設計は、長寿命でコスト効果が高く、高安全性のエネルギー貯蔵システムの可能性を示しています。主要材料の回収とリサイクルが可能になることで、技術の持続可能性が高まります。」

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

新しい電池は製造コストの削減と寿命の延長によりアルミニウムイオン電池の実用性を高めましたが、エネルギー密度、電解質の安定性、ライフサイクルに関しては商業化に向けてさらなる改善が必要です。

バッテリー老化神話を覆した研究についてはこちらをご覧ください。

バッテリーマーケットの主要プレーヤー

次世代バッテリーテクノロジーの出現は、エネルギー密度、安全性、コスト、寿命の面で現在のリチウムイオン電池を大幅に上回る改善をもたらし、現在の技術の限界に対処するイノベーションによってエネルギー需要を変革すると期待されています。

それでは、今後数年で大きく成長が見込まれるバッテリー技術の最前線を走る企業を見てみましょう。

1. QuantumScape (QS )

世界が代替技術を模索する中、リチウム系電池は依然としてリードしています。その背景で、QuantumScape Corporation は電気自動車やその他の用途向けに固体リチウム金属電池技術を開発する主要バッテリー企業の一つです。

従来のリチウムイオン電池が限界に近づく中、同社は業界初のアノードフリーセル設計を開発し、高エネルギー密度、材料コスト削減、製造簡素化を実現しました。

従来のリチウムイオン電池がポリマーセパレーターを使用するのに対し、QuantumScape は固体セパレーターを採用しています。これにより、炭素またはシリコンアノードをリチウム金属アノードに置き換えることが可能となり、同じ体積でより多くのエネルギーを蓄えることができます。QuantumScape の設計では、電池はアノードフリーで放電状態で製造されます。

QuantumScape によると、同社の24層A0プロトタイプセルは1,000回以上のフル充放電サイクルに相当するテストを完了し、エネルギー保持率は95％以上です。10月には同社が計画している初の商用製品 QSE-5 を発表し、車載用途向けに展開することを明らかにしました。低ボリューム生産が開始された QSE-5 Bサンプルセルの測定エネルギーは21.6Whです。QSE-5 セルは10％から80％まで約12分で充電できます。

時価総額26億2000万ドルの QuantumScape の株価は現在5.13ドルで、年初来で1.16％下落しています。EPS（TTM）は-0.95、P/E（TTM）は-5.38です。

最新の四半期決算（2024年Q3）では、同社は資本支出が1790万ドル、GAAP営業費用が1億3020万ドル、GAAP純損失が1億1970万ドルでした。四半期末の流動性は8億4100万ドルでした。

QuantumScape はさらに、Volkswagen のバッテリーメーカー PowerCo と提携し、QSE-5 技術の量産化を進めています。

この期間中、同社は新しいセパレーター製造技術「Raptor」の導入に成功したと報告しました。その後、12月にCobra のリリースを発表し、QuantumScape は今年中に QSE-5 の高ボリュームサンプルを提供できる見通しです。Cobra は同社の固体電池の商業化に向けた重要なステップと見なされています。

2. Solid Power (SLDP )

2011年に設立され、Solid Power はコロラド大学ボルダー校から DARPA の資金提供を受けてスピンアウトしました。これまでに空軍からの契約を獲得し、エネルギー省との協定も締結しています。

2018年に同社は最初のエクイティベースの資金調達を実施し、2021年にはBMWグループ、フォード・モーター、Volta Energy Technologies が主導する1億3500万ドルの投資ラウンドを発表しました。

フォードとBMWグループはその後、Solid Power との共同開発協定を拡大し、将来の電気自動車向けに全固体電池の供給を確保しています。前年には同社は320Wh/kg、20Ah のリチウム金属セルを製造し、市販のリチウムイオン電池の比エネルギーを上回ると報告しました。

同社は次世代全固体電池技術の開発に取り組んでおり、特に電気自動車向けの硫化物系固体電解質に注力し、コスト目標は85ドル/kWhです。2028年までに年間80万台の電気自動車に電池セルを供給できるよう、電解質生産を拡大することを目指しています。

時価総額2億6877万ドルの Solid Power の株価は現在1.50ドルで、年初来で21.16％下落しています。同社は2021年12月末に Nasdaq 上場を開始しました。EPS（TTM）は-0.47、P/E（TTM）は-3.14です。

最新の四半期決算（2024年Q3）では、Solid Power は収益470万ドルを計上し、前年同期比で170万ドル減少しました。この収益減少は主にBMWとのマイルストーン完了によるものです。期間中の営業費用は生産コスト、セルおよび電解質の開発費、事業拡大費用の増加により上昇しましたが、流動性は依然として強固で、四半期末の総流動性は3億4810万ドルでした。

この期間中、同社は電解質イノベーションセンター（EIC）でプレパイロット電解質の製造プロセス改善に取り組み始めました。

最近、Solid Power は米国エネルギー省から硫化物系固体電解質材料の継続的生産のために最大5,000万ドルの資金を確保したと発表しました。支援協定の一環として、同社は設備導入を支えるために自社資金6,000万ドルを拠出し、製造規模の拡大が期待されています。

結論 

リチウムイオン電池は多くの一般的な消費者向けエレクトロニクス、電気自動車、エネルギー貯蔵システム（ESS）で依然として圧倒的なシェアを占めています。その採用が拡大しているのは高エネルギー密度と成熟した産業プロセスが背景にありますが、再生可能エネルギーを電力網に統合するには、より優れたソリューションが必要です。

太陽光や風力の長期蓄電には大容量バッテリーが必要ですが、リチウムイオン電池はコストが高く、可燃性という安全リスクも伴います。信頼性の高い大規模エネルギー貯蔵システムの代替候補として、低コストで安全性が向上し、体積あたり容量が高い充電可能なアルミニウムイオン電池が有望です。

電解質の安定性とバッテリー寿命の向上により、アルミニウムイオン電池は大規模エネルギー貯蔵、電気自動車、さらなる用途で重要な役割を果たす可能性があります。商業的実現性に課題は残りますが、研究はこれらの電池を実用化に近づけており、近い将来、高エネルギー密度で手頃な価格のバッテリーへの社会的需要に応えることが期待されます。

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