小さな調整で大きな変化 – ソフトメタルのテクスチャはバッテリーの画期的技術か？

バッテリーは至る所にあります。現代の技術時代は、効果的に作られた効率的なバッテリーなしでは進歩も繁栄もできません。バッテリーは電気自動車、モバイルデバイス、再生可能エネルギーの蓄電など、さまざまな場所に存在します。 

成長数値を見ると、潜在性は指数関数的です。たとえば、2022年から2030年の間に、リチウムイオンバッテリーの世界的需要はほぼ7倍に増加し、4.7 terawatt-hours in 2030に達すると予測されています。市場専門家は、この成長の大部分を電気自動車の急速な人気に帰しています。電気自動車はリチウムイオンバッテリーに大きく依存しています。2024年には、EVが世界のリチウムイオンバッテリー需要の80%以上を占めました。 

この驚異的な成長を支えるには、バッテリーの生産規模を拡大する必要があります。そして、生産規模の拡大はイノベーションによってのみ支えられます。朗報は、世界中の研究者が取り組んでいることです。彼らは新しい材料、設計、構成、化学を継続的に探求しています。 

しかし、これらの探求が利用可能な資源を最適化しているかどうかを常に確認することも重要です。そのような精査の中で、研究者は金属のテクスチャが歴史的に見過ごされてきたことに気づきました。 

この見過ごしの正確な性質を説明しながら、UChicago PME のシェリー・メン教授、Liew Family Molecular Engineering 教授は次のように述べました：

「粒配向（テクスチャ）を理解する上でのギャップがあり、この要因が充電可能な金属バッテリーの性能にどのように影響するかが不明です。」

解決策は、メンのエネルギー貯蔵・変換ラボとその産業パートナーであるThermo Fisher Scientificから得られました。具体的には、メンと共同研究者らが執筆した論文によります。その論文のタイトルは『Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.』です。

より良いバッテリーのためのテクスチャ改善への実験

研究者が「テクスチャ」という用語で指すのは、ランダムな分布ではなく特定の方向に配向された粒配向です。プラズマフォーカスイオンビーム-電子後方散乱回折（PFIB-EBSD）は、さまざまな電気化学的めっきおよびストリッピング条件下で金属テクスチャを特徴付けるのに役立ちます。 

研究では¹、研究者はアルカリ金属のテクスチャ形成における表面エネルギーとひずみエネルギーの競合を強調しました。特に、電気化学プロセス中の粒選択成長に対するアルカリ金属の原子拡散と表面エネルギーの支配が、金属アノードを使用した固体電池（特に室温で）の動的制約を説明する鍵であることを理解しようとしました。この研究とそこから得られた洞察の最終目標は、界面工学を通じて望ましいテクスチャを実現し、高電流密度でのめっき/ストリッピング効率を向上させることです。

研究者は、金属バッテリーにとって最適なテクスチャを理解するために一連のステップを実施しました。さまざまな条件下で軟金属のテクスチャを特徴付け、テクスチャ形成のための熱力学理論と位相場モデルを開発し、めっき/ストリッピング効率向上に適したテクスチャを特定し、最後に望ましい粒成長のための界面層を設計しました。 

研究は何を達成したか？

UChicago PME の研究准教授（共同第一著者）張明浩教授、の言葉によれば、研究者は「リチウム金属と電流集電体の間に薄いシリコン層を追加することで、望ましいテクスチャが形成されることを発見した」

研究者は、この「変化により、リチウム金属を使用した全固体電池のレート能力がほぼ10倍向上した」と推測しました。

しかし、研究者が正しく最適なものを見つけ出すに至ったのは何だったのでしょうか？

研究者は、バッテリーアノードにとって理想的なテクスチャは、原子が表面平面上を迅速に移動できるものであるという前提から始めました。なぜなら、移動が速いほどバッテリーの充放電が速くなるからです。テクスチャを変える際に重要だったのは、軟金属の表面エネルギーの違いでした。

張明浩教授によれば：

「リチウムまたはナトリウム金属を使用したバッテリーは、これらのテクスチャに依存して高いレート能力を実現しているため、チームは軟金属のテクスチャを調整すればパワー密度が向上するかどうかを検討しました。」

目的の達成は、プラズマフォーカスイオンビーム走査電子顕微鏡（PFIB-SEM）内でのミリングと電子後方散乱回折（EBSD）マッピングという顕微鏡技術の効果的な活用に大きく依存していました。これら二つの手法の効率的な組み合わせにより、テクスチャを新たな方法で研究できるようになりました。

研究で使用された顕微鏡技術の有用性について詳述する中で、Thermo Fisher Scientific (TMO ) のシニア・マーケット・デベロップメント・マネージャーである共同著者の劉兆氏は次のように述べました：

「PFIB-EBSD の組み合わせは本研究に適しており、PFIB はセルスタック内の関心領域に効果的にアクセスし、欠陥が最小限の高品質な表面を生成でき、EBSD は軟金属の詳細なテクスチャ情報を提供します。」

産業パートナーに加えて、研究者は LG Energy Solution のフロンティア研究所とも提携し、技術の商業化に向けて取り組んでいます。
LG Energy Solution のシニアリサーチャー、イ・ジョンボム氏によれば、この研究は電気自動車やエネルギー貯蔵用途向けの次世代バッテリー開発に役立つとされています。

研究者が今後目指すことは？

今後、研究者は2つの明確な目標を掲げています。第一に、テスト時に使用する圧力を現在の商用バッテリーの業界標準である5メガパスカル（MPa）から1メガパスカルに下げることです。第二に、メンの研究結果によれば、ナトリウムが安価で入手しやすいリチウムの代替候補となる可能性があるため、テクスチャがナトリウムに与える影響を調査したいと考えています。

リチウムイオンバッテリー材料に関するその他の研究

現在の研究は画期的ですが、同様の研究は珍しくありません。Materials Today に掲載されたこれらのバッテリーに関する研究レビューでは、リチウムイオンバッテリーが高エネルギー密度、高サイクル寿命、高効率という明確な利点を持つ一方で、コスト、エネルギー密度、パワー密度、サイクル寿命、そして安全性の限界を押し広げる新しい電極材料の研究が継続されていることが強調されました。

研究者が有望なアノードおよびカソード材料オプションを検討した結果、多くが電気伝導性の低さ、リチウム輸送の遅さ、電解質との溶解やその他の不利な相互作用、熱安定性の低さ、体積膨張の大きさ、そして機械的脆性といった問題に直面していることが判明しました。これらの問題への利用可能な解決策は、インターカレーションカソードの市場投入でした。しかし、変換材料技術が商業化に至る速度は遅いままでした。

商業化とスケールアップについて語ると、こうした先端技術研究で大きな成果を上げられる企業に目を向けるべきです。

1. サムスン

2024年8月に、韓国のサムスンSDIはゼネラルモーターズと合意し、米国インディアナ州に共同電気自動車バッテリー工場を建設することになりました。この合意により、両社は年産27ギガワット時のバッテリーセル製造プラントを共同で建設することを決定しました。 
以前の2022年に、世界で6番目に大きいバッテリーメーカーであるサムスンSDI社と、オランダ拠点の多国籍自動車メーカーであるステランティスN.V.は、米国インディアナ州を共同電気自動車バッテリー工場の拠点として選定しました。 

メーカーは、北米のステランティス工場向けに、2025年上半期の計画に基づき、年産23ギガワット時（GWh）のプリズマティックバッテリーセルとモジュールの生産を目指しています。

バッテリーの生産に関して、サムスンSDIは電気自動車、エネルギー貯蔵システム、マイクロモビリティ、パワーデバイス、ITデバイスなど、幅広いソリューションに対応しています。

EVおよびPHEV向けに、同社は高容量・高エネルギー密度・高速充電バッテリーを製造し、固体電池の大量生産でもリーダーシップを発揮しています。エネルギー貯蔵ソリューションでは、家庭用、公共、商業、産業向けの再生可能エネルギーと統合されたバッテリー製品から、無停電電源装置（UPS）ソリューションまで幅広く提供しています。

マイクロモビリティ分野では、サムスンSDIはeキックボード、eバイク、eスクーターといった小型・軽量のラストマイル輸送用バッテリーを製造しています。このセグメントでは、同社は高度な材料とコンポーネント技術を活用し、最適なバッテリーを提供しています。

eバイク向けに、サムスンSDIは高エネルギー密度と安全性を備えたバッテリーを製造しています。これらのバッテリーはより薄型で軽量です。

eスクーターやeモーターサイクルなどの電動二輪車向けに、サムスンSDIは円筒形バッテリーを開発しています。これらは高容量材料、独自の構造設計、一定の品質で作られ、安全で高性能、長寿命、そして安全性を備えています。

パワーデバイス向けに、サムスンSDIは高出力・高容量バッテリーを提供しています。また、高エネルギー密度、安定した電力出力、長寿命を備えた最適なOPEバッテリーソリューションも提供します。さらに、差別化された容量と出力を持つバッテリーも製造しています。最後に、スマートフォンやウェアラブルなどのITデバイス向けに、高機能かつ長寿命のバッテリーも生産しています。

2025年1月下旬に、サムスンは市場減速の中で2024年の第4四半期および通年の業績を発表し、年間売上高は16.59兆ウォン（115.5億ドル）、年間営業利益は3633億ウォンとなりました。第4四半期の売上高は3.75兆ウォンで、ESSバッテリービジネスにおいて過去最高の売上を記録しました。

2. LGエナジーソリューションズ

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2024年12月に、LGエナジーソリューションズはインドのJSWエナジーと協議し、電気自動車および再生可能エネルギー貯蔵用バッテリーを製造するための合弁事業を開始しました。この事業には15億ドル超の投資が必要です。公開されている報告によれば、両社は技術と設備を提供するLGESと資金を投入するJSWが平等にパートナーシップを結ぶ初期合意に署名したと、情報筋が述べています。

同社はエネルギー貯蔵ソリューション（ESS）バッテリーと先進的な自動車用バッテリーで知られています。ESS部門は電力網や多様な家庭製品向けに高エネルギー・高出力製品を提供しています。これらのバッテリーは、LG独自のラミネーションとスタッキングの高度なプロセスノウハウを適用した一流のバッテリーセル技術で製造されています。

これらのバッテリーは均一なエネルギー出力、長寿命、安定した構造を備えています。また、LG ESSバッテリーはコンパクトサイズにより空間効率が向上しています。高容量・超薄型ポリマーバッテリーセルをグリッドおよび住宅用ESSの開発に適用することで、同社はスペース利用を最大化し、設置面積を最小限に抑えるスリムな製品を生産しています。

LGエナジーソリューションズは、電気自動車バッテリー向けのセル、モジュール、BMS（バッテリーマネジメントシステム）、パック製品の主要サプライヤーでもあります。これらのソリューションには、軽量で高速充電が可能な高エネルギー密度バッテリーが含まれます。

これらのバッテリーはさまざまなサイズで提供され、商用車の限られたスペース問題を解決し、空間の最大化を実現します。パウチ型バッテリーセルは様々な長さと幅で製造でき、バッテリー容量の向上と最適化に寄与します。

2025年1月最終週、LGエナジーソリューションズは第4四半期および通年の業績を発表しました。通年では、連結売上高が25.6兆ウォン、営業利益が5754億ウォンで、前年同期比それぞれ24.1％、73.4％の減少となりました。営業利益率は2.2％で、IRA税額控除効果を含んでいます。

バッテリーの未来

バッテリー技術とバッテリーマネジメントの未来は、複数の領域での改善を目指します。具体的には、比エネルギーとエネルギー密度の向上（体積・重量あたりのエネルギー増加）、寿命の延長、可燃性の低減、完全充電に要する時間の短縮、そしてレベル化エネルギーコスト（LOCE）の削減が求められます。

研究者は2019年から2030年までのリチウムイオンバッテリーの技術ロードマップを検討しました。彼らは、従来型リチウムイオン、Gr-SiアノードまたはHi-Niカソード、固体電池、リチウム硫黄/空気の4つの可能性のある技術構成を挙げています。数値は、これら新しいバッテリー技術が次の10年で従来型リチウムイオンを上回ることを示唆しています。

新しいバッテリー技術の登場は、カソードとアノード材料の選択を再考させます。例えば、LFPカソードを使用したバッテリーはNMCカソードに比べてエネルギー密度が低くなります。カソード材料の選択は、全セルレベルでの比エネルギーに大きく影響するため重要です。

アノード材料の選択も重要です。通常はグラファイトが使用され、バッテリーが充電される際にリチウムイオンが保持できる空間を提供します。蓄えられるリチウムイオンの数は、直接的に電気エネルギーの蓄積量に結びつきます。

研究者は漸進的な移行を見ているカソード技術では、従来のNi含有率50％からそれぞれNMCとNCAバッテリーで80％、90％へとシフトしています。高Ni含有率カソードが提供する容量ニーズに応えるため、グラファイトアノードに少量のシリコン酸化物または純シリコンを添加することが、セルメーカーに支持されつつあると報告されています。

将来を再定義すると期待される5つの新バッテリー技術は、NanoBoltリチウムタングステンバッテリー、亜鉛-マンガン酸化物バッテリー、オーガノシリコン電解質バッテリー、金ナノワイヤーゲル電解質バッテリー、そしてTankTwo String Cell™バッテリーです。

例えば、NanoBoltリチウムタングステンバッテリーは充電が速く、エネルギー貯蔵量も多いです。亜鉛-マンガン酸化物バッテリーは、特に国家電力網を支える大規模エネルギー貯蔵において、リチウムイオンや鉛酸バッテリーの有効な代替手段となります。

ウィスコンシン大学マディソン校の化学教授ロバート・ハマーズとロバート・ウェストは、産業、軍事、消費者向けリチウムイオンバッテリー市場向けに、分子レベルで設計可能なオーガノシリコン（OS）系液体溶媒を開発しました。

液体ほど可燃性が高くないゲルを用いた実験で、カリフォルニア大学アーバイン校の研究者は金ナノワイヤーに二酸化マンガンをコーティングし、さらに電解質ゲルで覆うことに挑戦しました。

ナノワイヤーは通常バッテリーに使用するには脆すぎますが、これらのソリューションは耐久性を獲得し、研究者が発見した結果の電極は、従来のバッテリーが6,000サイクルで劣化するのに対し、200,000サイクルでも充電保持能力を失わなかったのです。

String Cell™バッテリーは、小さな独立した自己組織化セルの集合体で構成されています。各ストリングセルは導電性材料で覆われたプラスチックエンクロージャで構成され、他のセルと迅速かつ容易に接触できるようになっています。内部の処理ユニットが電気化学セル内の接続を制御します。

EVの高速充電を促進するために、バッテリー内の小さな球体は吸い出され、サービスステーションで充電済みセルと交換されました。ステーションでは、オフピーク時にセルを再充電できます。

これらすべてのソリューションが利用可能になることで、将来いくつかのバッテリーの画期的な進展が待ち受けています。

(GM ) (STLA ) (JSWENERGY.BO )