持続可能なリチウム採取 – EVサプライチェーンの革命

世界的な脱炭素化の取り組みに牽引され、電気自動車（EV）の成長は急速に続くと予測され、10年後には世界の自動車販売の半数以上を占める見込みです。

輸送部門のこの広範な電化は、化石燃料への依存が大きく、世界の二酸化炭素（CO2）排出量の約20％を占めているため、全体の温室効果ガス（GHG）排出量を大幅に削減するのに役立ちます。

しかし、この急速なEVへの移行は大きな問題をもたらします――EVバッテリーに使用される重要な元素のサプライチェーンに深刻な負荷がかかっているのです。

EVバッテリーの中でも、リチウムイオン電池は低コストと比類なきエネルギー密度により最も広く使用されており、支配的な電池化学として今後も続くと予想されています。つまり、リチウム（Li）は特に重要な部品であり続けるということです。

柔らかく銀白色のアルカリ金属で、すべての固体元素の中で最も軽く、水と激しく反応するリチウムは、単一のEVバッテリーパックで大量に使用されています。

したがって、当然ながらリチウムの需要は今後10年間で指数関数的に増加すると予想され、2030年までにリチウム鉱石の採掘やリチウム濃縮塩湖からの抽出で得られる量をはるかに上回るでしょう。

重要なバッテリー要素におけるサプライチェーン問題

Benchmarkのリチウムイオンバッテリーデータベースによると、リチウムイオンバッテリーの需要は今年、1テラワット時（TWh）を超えると予測されており、10年前の74ギガワット時（GWh）から劇的に増加しています。

自動車産業とエネルギー転換の成長の中心であるリチウムイオンバッテリーへの需要急増により、各国は自国のサプライチェーンの構築を目指しています。

中国が業界を支配する一方で、米国はEVとバッテリー技術の支配権を獲得しようと競争が激化しています。両国は自国産業を保護しトップに立つため、貿易制限を課しています。

今年1月、中国はリチウム抽出および精製技術の制限を提案し、世界的なリチウムサプライチェーンに対するコントロールを強化しようとしました。世界最大のリチウムバッテリーメーカーを抱える中国は、CATLが市場シェア35％で最大、次いでBYDが続き、世界で2番目に大きな保有国となっています。リチウム埋蔵量は世界全体の16.5％で、3倍に拡大しています。

ボリビア、チリ、アルゼンチンは他の主要なリチウム埋蔵国であり、サウジアラビアのような新たなリチウム生産者も大規模な投資で参入しています。

米国も重要なリチウム埋蔵量を持つ上位国の一つです。しかしながら、生産量は比較的少く、世界全体の2％未満です。そのほとんどはAlbemarle社のシルバーピーク施設から供給されています。そのため、「American Energyの解放」命令は採掘許可を簡素化し、国内能力を強化することを目指しています。

数か月前、米国の上級官僚は中国のリチウム生産者が重要金属を世界市場に氾濫させ、競合プロジェクトを排除し、「捕食的」な価格下落を引き起こしていると非難しました。

リチウム価格は過去1年で80％以上下落しており、主に中国の過剰生産が原因です。当時の経済成長・エネルギー・環境担当副国務長官であるホセ・フェルナンデスによれば：

「彼らは捕食的価格設定に走り…（彼らは）競争がなくなるまで価格を下げ続けます。これが現在起きていることです。」

さらに彼は、中国は「現在の世界が必要とする量をはるかに超える」リチウムを大量に生産していると指摘しました。このため価格が低くなり、フェルナンデスは「我々が広範なグローバル規模でサプライチェーンを多様化する能力を制約している」と述べました。

競争が激化し、価格変動が世界のサプライチェーンを脅かす中、安定かつ持続可能なリチウム供給を確保するための代替抽出方法への緊急の取り組みが求められています。

リチウム需要と供給のギャップへの対処

リチウム供給ギャップに効果的に対処するには、従来の手法から非従来型の水系資源へ転換する必要があります。これには、地熱塩水、産業廃水、石油・ガス生産水、地下水からのリチウム抽出が含まれます。

従来、この種の抽出は太陽蒸発による前濃縮を行い、その後に化学的な精製・沈殿工程を一連で実施します。

その結果、リチウム抽出は乾燥した広大な土地がある地域に限定されます。また、処理時間が長く環境への悪影響もあり、さらに回収率が低いという課題があります。

このため、直接リチウム抽出（DLE）技術が注目されており、時間と土地の制約を克服できます。これらの技術は化学的な後処理工程を必要とせずに高純度リチウムを得ることができます。

ここで、特にイオン交換樹脂や吸着剤がリチウム抽出のために広く研究されていますが、リチウム選択性が限られているため部分的な前濃縮が必要で、再生には大量の淡水または化学薬品が必要です。

対照的に、電気化学的リチウム挿入は優れたリチウム選択性を示しますが、電極寿命が著しく制限され、定期的な再生が必要です。

しかしながら、高選択性膜は連続的かつ持続可能なリチウム回収を実現し、競合イオンに対してリチウムの優先輸送を促進することで、これらの制限を克服できる可能性があります。

この技術に関しては、一般的に競合する二価イオンおよび一価イオンに対して高いリチウム選択性を示す膜材料の研究が重要です。

最近、ライス大学のElimelech研究室の研究者らは、固体電解質（SSE）を水系リチウム抽出用の膜材料として再利用し、大きな突破口を開きました。

SSEはバッテリー分野で広く研究されていますが、水系イオン分離用の膜材料としてはまだ研究が進んでいません。SSEの開発は、一般的に使用される液体電解質の可燃性による安全性懸念から、バッテリー分野で注目されてきました。

固体電解質（SSE）は、従来の液体電解質に代わる有望な選択肢であり、安全性の向上とエネルギー密度の向上が期待できます。SSEは固体材料で、バッテリー内でリチウムイオンなどのイオンを電極間で輸送します。

不燃性による安全性向上に加えて、SSEは耐久性も高いですが、イオン伝導率の低さや界面不安定性といった課題があります。

SSEを海水からリチウムイオンを選択的に抽出する膜材料として応用する可能性については、いくつかの研究でその利用が示唆されていますが、SSE内での輸送に関する根本的な評価や理解はまだ探求されていません。

そこで、最新の研究では、リチウムブライン中の一般的な競合カチオンに対するイオン間選択性を評価し、SSE内のイオンと水の輸送の基本を調査することで、リチウム抽出用膜としてのリチウムイオン伝導SSEの使用を評価しました。

研究結果は「実質的に完璧なリチウム選択性」を示しました。また、競合カチオン（正電荷イオン）の存在は浸透できないにもかかわらず、リチウムイオンのフラックスに悪影響を与える重要な関係性も明らかにしました。

米国のリチウム供給増加のニーズにアーカンソー州が答えを持つかどうかを知るにはここをクリックしてください。

持続可能なEVバッテリーサプライチェーンへの道を切り開く

Science Advancesに掲載された本研究は、効率的なリチウム抽出法の開発を詳述しています――ほぼ完璧な選択性を持つ高度に選択的な固体電解質膜で、リチウム採取に革命をもたらし、EVバッテリーサプライチェーンの持続可能性を高めます。

研究チームは、もともと固体電池でリチウムイオンの高速伝導を目的に設計されたSSEの高度に秩序立った閉鎖構造が、水系混合物中のイオンと水の前例のない分離を実現できることを発見しました。

これは、従来の手法への依存を減らすことができる持続可能な資源回収における潜在的な突破口を示しています。共同著者のMenachem Elimelech、NancyとClint Carlson（土木・環境工学教授）によれば：

「課題はリチウム生産を増やすことだけでなく、持続可能かつ経済的に実行可能な方法で行うことです。」

研究チームが開発した新技術は、従来のナノ孔膜とSSEの根本的な違いに依存しています。

従来の膜はイオン輸送に水和ナノスケール孔に依存していますが、SSEは高度に秩序立った結晶格子内で無水のホッピング機構を用いてリチウムイオンを移動させます。

「これは、リチウムイオンは膜を通過できる一方で、他の競合イオンや水さえも効果的に遮断されることを意味します。我々のSSEベースのアプローチが提供する極端な選択性により、リチウム採取においてエネルギーは目的のリチウムイオンを膜越しに移動させることにのみ使われるため、非常に効率的な手法となります。」

– 第一著者 Sohum Patel、現在マサチューセッツ工科大学（MIT）のポスドク研究者

この現象を検証するため、チームは電気透析装置を使用し、電気でリチウムイオンを膜越しに駆動させました。

実験結果は、競合イオン濃度が高い場合でも、SSEはほぼ完璧なリチウム選択性を示し、競合イオンは検出されませんでした。これは従来の膜技術では達成できなかったことです。

では、なぜSSEがこれほど優れたリチウムイオン選択性を示すのかを解明するため、チームは計算と実験の手法を組み合わせて調査し、SSEの緊密で剛性のある結晶格子が原因であることを突き止めました。この構造は水分子だけでなく、ナトリウムやマグネシウムイオンといった大きなイオンの膜透過も防ぎます。

「格子は分子篩として機能し、リチウムイオンだけが通過できます。極めて正確なサイズと電荷の除外が組み合わさることで、SSE膜は独自の特性を持ちます。」

– Elimelec

競合イオンはSSEを通過しませんでしたが、研究者はその存在がリチウムフラックスを低下させることを指摘しました。ただし、フラックスははるかに選択性の低い膜材料で観測されたものと同程度でした。研究者は、イオン交換のための表面部位がブロックされることが原因であるこの課題は、さらなる材料工学により解決できると考えています。

さらに、より複雑で塩分濃度の高い水源にSSEを適用した際の有効性を示すためには、追加の研究が必要です。

全体として、本研究は「SSEのリチウム回収への極めて有望な応用」を強調しています。

研究者によれば、この新たに開発された手法は、自動車、エレクトロニクス、再生エネルギー分野など幅広い産業に安定したリチウム供給を確保するのに役立ちます。

SSEベースの膜は、差し迫ったリチウム不足に対処できるだけでなく、従来の採掘のように環境に悪影響を与えることなく、持続可能に対処できるのです。Patelによれば：

「SSEを電気透析システムに統合することで、さまざまな水系資源から直接リチウム抽出が可能になり、大規模な蒸発池や化学薬品集中的な精製工程の必要性が減少します。これにより、リチウム生産の環境負荷を大幅に低減し、プロセスの効率も向上させることができます。」

リチウム生産に伴うコスト削減も期待できるこの手法は、5〜8年以内に産業採用が見込まれます。研究者は、SSE材料が今後「DLE技術の最前線」に立つと期待しています。

さらに、本研究はリチウム以外のイオン選択的分離におけるSSEの広範な応用も見込んでいます。

Elimelechは、固体電解質（SSE）におけるイオン選択性のメカニズムが、他の重要元素を水源から抽出する類似膜の開発にインスピレーションを与え、「資源回収のための新しい膜材料クラス」の扉を開くと指摘しています。

革新的な企業

Albemarle Corporation

この分野で注目すべき投資対象企業を見ると、Albemarle Corporation (ALB ) はリチウム生産の世界的リーダーであり、持続可能な抽出技術に投資している点で際立っています。

同社はオーストラリア、チリ、米国で鉱山を運営しています。Albemarleが「世界最大かつ最高品質」の一つと称するリチウム資源は、硬岩鉱床と高塩分塩水から構成されています。

しかし、Albemarleは課題に直面しており、昨夏には米国サウスカロライナ州の13億ドル規模のEVリチウム加工プラントを一時停止しました。同時期に、リチウム価格の低迷により、EV向けバッテリー級リチウム水酸化物を生産するオーストラリアの製造プラント拡張も中止しました。このニュースは、Albemarleが生産を倍増させる計画を発表してから約1年後に出たもので、2024年第3四半期の10億ドル超の損失の大部分がこの拡張失敗に起因しています。

リチウム市場の価格下落は、チリでの生産増加、トランプ政権下の関税、そして中国での旧正月後の需要減速が続くためです。その結果、Albemarleは拡張プロジェクトだけでなく、従業員の削減も余儀なくされました。

現在、Albemarle Corporationは主にエネルギー貯蔵、特殊事業、Ketjenの3つの主要部門で事業を展開しています。

エネルギー貯蔵部門はリチウム塩化物、リチウム水酸化物、リチウム炭酸塩を製造します。特殊事業部門は高度に特化したリチウムおよび臭素溶液を最適化し、モビリティ、エネルギー、通信、ヘルス産業に提供します。Ketjenは、パフォーマンス触媒ソリューション（PCS）、クリーン燃料技術（CFT）、流動触媒分解（FCC）触媒と添加剤に注力し、航空宇宙、自動車、従来エネルギー、電力網貯蔵などの市場にサービスを提供しています。

時価総額88億ドルのAlbemarleの株価は現在74.82ドルで、年初来12.28％下落しています。同社のEPS（TTM）は-11.19、P/E（TTM）は-6.74で、配当利回りは2.15％です。2月27日、1株当たり0.405ドルの四半期普通株式配当を宣言し、4月1日に支払われます。

財務面では、2024年第4四半期の純売上高は12億ドル、純利益は7500万ドル（希薄化株式1株当たり0.29ドル）で、調整後の希薄化損失は1株当たり（1.09ドル）でした。

純売上高は前年同四半期の24億ドルから48％減少し、これはエネルギー貯蔵部門の価格低下と出荷量減少が原因とされています。部門別の売上高は、エネルギー貯蔵部門が6億1700万ドル、特殊事業部門が3億3300万ドル、Ketjenが2億8200万ドルです。

第4四半期には、MeishanとLa Negraのリチウム変換プラントで記録的な生産を達成したと報告しました。ただし、今年中頃までに中国成都の拠点をメンテナンスのために停止する計画です。

通年では、純売上高は54億ドル、純損失は12億ドルで、営業キャッシュフローは7億200万ドルでした。2024年12月31日時点で、Albemarleは約28億ドルの流動性（うち12億ドルは現金・現金同等物）を保有し、総負債は35億ドルでした。

「当社はコスト削減、コンバージョンネットワークの最適化、効率向上に向けた決定的な行動を取っており、長期的な競争力を維持しています。今後も変動する市場環境が続くと予想されますが、財務の柔軟性を高め、コア能力を強化し、Albemarleを将来の成長に向けて位置付けることで、ステークホルダーに価値を提供できると確信しています。」

– CEO Kent Masters

2025年の資本支出は7億〜8億ドルの範囲になると予想され、2024年の17億ドルの50％減です。この支出は、既存資産とリソースの維持を優先することを示しています。

Albemarle Corporationの最新情報

結論 

今日の超モビリティ社会において、電気自動車は持続可能性の課題への解決策として浮上しています。EVは炭素排出を削減し、化石燃料への依存を低減する手段を提供します。この革命の核心にはバッテリー技術があり、EVが交通の未来を再構築するのに貢献しています。

これらのバッテリーの重要な構成要素はリチウムで、EVだけでなく多くの現代デバイスやエネルギー貯蔵にも不可欠です。クリーンエネルギー転換におけるリチウムの重要性から、世界は安定したリチウム供給の確保に向けて競争しています。

従来のリチウム抽出方法は効果的であるものの、環境問題や資源集中的な採掘、長い処理時間という制約があります。ここで、固体電解質（SSE）膜の利用といった突破口が変革的な解決策を提示します。持続可能で効率的なリチウム採取を可能にすることで、差し迫ったサプライチェーン問題を緩和するだけでなく、バッテリー生産の未来を再定義できるのです。

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