エネルギー

超耐久バッテリー：次世代技術が数十年持続する理由、数年ではなく

公開日 2025年3月7日

更新日 2026年5月30日

著者

Jonathan Schramm

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長寿命バッテリー

As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.

これは、水力発電や原子力などの他の低炭素エネルギー源、あるいは将来的には地熱エネルギーで部分的に補うことができます。それでも、グリーンエネルギーの支持者は、低コストの太陽光（および風力）をエネルギーシステムの基盤にしたいと強く望んでいます。

これにより、モビリティ向けとは根本的に異なる特性を持つバッテリーへの需要が生まれます。

電気自動車は、車体に搭載できるほど軽量でコンパクトな、非常にエネルギー密度の高いバッテリーを必要とします。耐久性も重要ですが、バッテリーが10〜15年機能すれば、車両の他の部品と同程度の耐久性と見なせます。

対照的に、エネルギー貯蔵用バッテリーは重量や容積の制約がはるかに少ないです。しかし、コスト面での制約は確実に存在します。というのも、これらは実質的にグリーンエネルギーや電力網の生産コストに上乗せされるからです。

エネルギー貯蔵コストを削減する一つの方法は、リチウムよりも安価な材料でバッテリーを構築することです。以前「エネルギー貯蔵の未来 – ユーティリティ規模バッテリー技術」で取り上げたように、ナトリウムイオン、鉄空気、亜鉛、海塩、ポリマー、ナトリウム硫黄、さらには溶融金属などの技術が検討されています。

バッテリーシステムのライフタイムコストを削減するもう一つの重要要素は、数十年持続させることです。投資を長期間で償却すれば、バッテリーの資本コストは年間ベースで大幅に低減します。これは、電力会社が30〜50年の期間で新しい発電所を償却する慣れがあるため、より受け入れやすいでしょう。

バッテリーはなぜ故障するのか？

デンドライトによる死

Before building a battery that lasts almost forever, we need to look at why most batteries lose charge over time or stop working.

特にリチウムイオンバッテリーにおいて重要な要因は、デンドライトの成長です。この鍾乳石のような構造は、金属が不適切に蓄積することでバッテリー内に形成され、時間とともに正極と負極の間のバリアを破壊し、ショートや壊滅的な火災を引き起こす可能性があります。

出典: Nobel Prize

この火災リスクのため、デンドライトはユーティリティ企業にとって特に深刻な問題です。1つのバッテリーセルで発生した火災が、近くにある数十億規模のバッテリーパーク全体に急速に拡大する可能性があります。したがって、長寿命を目指すバッテリー技術は、デンドライトがほとんど形成されないことが理想です。

デンドライトはリチウムイオンバッテリーで最も議論されますが、金属系アノードやカソードを使用するほとんどのバッテリーでも共通の問題であることに留意すべきです。

充電ロス

Another way batteries can fail is by slowly losing their capacity to store energy. This is usually the result of some of the metal used in the electrode slowly accumulating in a form that cannot be turned back into something useful.

出典: EnergSoft

他の原因としては、機械的・熱的ストレスによる小さな亀裂の発生、構造的強度の低下、不要な堆積物の蓄積などがあります。

出典: EnergSoft

バッテリーがこの緩やかな劣化に対して感受性が高いほど、総充電量は減少し、徐々にバッテリーは使い物にならなくなります。さらに、劣化したバッテリーは充電保持が悪く、蓄えたエネルギーのロスが増えるため、収益性がさらに低下します。

したがって、理想的なバッテリー技術は、構成材料の緩やかな劣化に対して感受性がなく、システム全体をリサイクルすることなく定期的に本来の状態に再生できるものです。

バッテリーの劣化の詳細を知りたい場合は、22分間のこのビデオをご覧になることもできます:

サイクル寿命

Battery durability can be a complex thing to measure. For example, most EV battery systems are usually measured on a per-mile basis, or how much distance the EVs can be driven before needing a new battery pack.

別の測定方法は、バッテリーが総充電容量の大部分を失うまでに可能な充放電サイクル数です。エネルギー貯蔵の場合、1日あたり1〜3回の充放電サイクルが一般的です。

最後に、充電を保持できる時間も重要な課題です。ほとんどのバッテリーは毎日少量の充電を失います。一方で、風が数週間止むこともあり、冬の日は太陽光が最も少なく、特に寒冷地域では電力消費が最大になります。したがって、数週間から数か月にわたりほとんどロスなく電力を供給できるバッテリーが理想的です。

温度耐性

Most battery technology can be more than a little intolerant of cold, especially freezing temperatures. As energy storage at scale will likely be done in outdoor space near a power station, this can be a serious issue in cold climates during winter. If a significant portion of the energy stored ends up being used to keep the batteries warm, this can severely impact the economics of operating these batteries.

ほとんどのバッテリー技術は、特に凍結温度に対してかなり耐性が低いです。大規模なエネルギー貯蔵は電力駅の近くの屋外で行われることが多く、冬季の寒冷地域では深刻な問題となります。蓄えたエネルギーの大部分がバッテリーの保温に使われると、運用コストに大きく影響します。

超耐久バッテリー技術

ハニカムバッテリー

Even if, ultimately, alternative chemistries will be the winners for powering a fully renewable-centered power grid, battery manufacturers are also looking at ways to make their current technology more durable.

その一例がCATL（300750.SZ）のハニカムバッテリーです。世界のバッテリーの半分以上を生産するバッテリー大手CATLは、この技術に大きく賭けています。これは、2020年の科学論文「新しいマイクロハニカム構造に基づく伸縮性リチウムイオンバッテリー」で提案されたアイデアの一部に基づいているようです。

出典: Phys.org

2021年の科学論文から、ハニカム形状の主な利点、特に低密度と高い面外圧縮・せん断特性（平行だが逆方向に働く力に対する材料の抵抗）を学ぶことができます。

バッテリーの物理構造を変更することで、材料が適切な位置に保たれ、充電中の亀裂や収縮を防ぎます。

CATLがどのように実現したかは明らかではありませんが、いくつかの方法は知られています。例えば、炭素と酸を用いた連続的な熱処理と化学処理により、ナノハニカム構造を作り出すことができます。

出典: Chemistry Europe

出典: Chemistry Europe

全体として、ハニカムバッテリー構造は亀裂やデンドライトの形成を防ぎ、リチウムイオンおよびLFP（リチウム鉄リン酸）バッテリー技術というよく理解された原理に依存しながら、超耐久バッテリーを実現しているようです。

これは、CATLの新製品であるTENER コンテナ化 LFP バッテリーシステムの中心である可能性が高く、5年間のフル運転後に容量の劣化がゼロであることが示されています。

TENERは現在、CATLによってユーティリティ企業向けに商業化が始まっています。

出典: Sustainability Environment

固体電池

Besides modification to the chemistry, the very way batteries are built can be changed to make for more dense and more durable batteries.

これは、ほとんどのバッテリーデザインで液体電解質を固体金属層に置き換える固体電池の考え方です。理論上は最もエネルギー密度の高いバッテリーを構築できるはずですが、必ずしも最安ではありません。

最近まで、これはスケールで実装するのが困難でした。金属層間の完全な接触が必要で、充放電時の機械的な動きがしばしば亀裂を生じさせます。

出典: Flash Battery

しかし、多くの企業による最近の開発（QuantumScape (QS )、トヨタ (TM )、サムスンSDI（006400.KS）やヒュンダイ（HYMTF））が2028〜2030年の大規模生産を目指すことから、技術が成熟しつつあることが示されています。

理論的には、十分に開発された固体電池は、電気自動車におけるリチウムイオン、LFP、さらにはナトリウムイオンバッテリーを段階的に置き換えることができます。

大規模生産時の最終価格はまだ不明で、電力網のエネルギー貯蔵に十分に安価になるかは検証が必要です。高価なリチウム金属を使用しないアノードフリーナトリウム固体電池のような特殊コンセプトがこの課題を解決できるかもしれません。

（この技術の投資機会については「注目すべき5つの固体電池株」で詳しく学べます）

亜鉛バッテリー

Because zinc is a very cheap and abundant metal, it has been used in non-rechargeable batteries for a long time. Reusable batteries can also be built with zinc, notably zinc-based aqueous batteries (ZABs).

しかし、この設計はデンドライト形成、寄生的な水素発生反応（HER）、表面腐食パッシベーションに悩まされ、実用性が大幅に低下しています。

この状況は、ミュンヘン工科大学での新しい研究¹により変わりつつあります。彼らはTpBD-2Fという多孔性有機ポリマーを使用しました。この材料は亜鉛アノード上に安定した超薄膜で高度に秩序化された膜を形成し、ナノチャネルを通じて亜鉛イオンが効率的に流れ、水分がアノードに接触しないようにします。

出典: Advanced Energy Materials

組み立てられたフルセル（Znイオンキャパシタ）は、デンドライト形成のほぼ完全な抑制、HERや腐食の不在により、10万サイクル以上という超長寿命サイクルを実現し、驚異的な耐久性を示します。

亜鉛バッテリーに加えて、研究者はこのコンセプトを他の金属アノード（リチウム、ナトリウム、カリウム、アルミニウムなど）にも拡張できると考えています。

TAQ-ポリマーとナトリウムイオンバッテリー

Polymer (carbon) and sodium instead of lithium can be a great way to reduce the price of raw materials going into a battery. This is what MITの研究者がTAQナトリウムイオンバッテリーで組み合わせたものです。

初期テストでは、目に見える劣化なしに2,000回の充放電サイクルを達成し、リチウムバッテリーより高いエネルギー密度と、6分という超高速充電を実現しました。

これは、最終的に超耐久バッテリーの競争で勝つ可能性が高いバッテリー化学は、単に同じものを改良するだけでなく、炭素やナトリウムのような安価で豊富な元素を使用できるかどうかという根本的な再考が必要であることを示しています。

溶融金属バッテリー

Most battery concepts are based on the transfer of electrons between one oxidation state of solid metal atoms to another oxidation state. In these, anodes and cathodes need to be perfectly separated to avoid shortcuts.

ほとんどのバッテリー概念は、固体金属原子のある酸化状態から別の酸化状態への電子移動に基づいています。この場合、ショートを防ぐためにアノードとカソードは完全に分離される必要があります。

金属が多く、電解質などの液体部分が少ないほど良く、これは固体電池や多くのバッテリー産業が目指す方向です。

バッテリーと見なせる範囲を根本的に拡大し、溶融金属バッテリーは逆に、アノード、カソード、電解質の3つの主要部品すべてが液体です。

異なる液体密度により自然に分離します。固体部品がないことは、理論上バッテリー寿命を劇的に伸ばし、非常に高速な充放電と完全リサイクルを可能にするはずです。

出典: Ambri

The Bill Gates-backed company Ambri, using a calcium and antimony battery, has been a champion of this technology. It was planning to 製造 2024年までに新工場で年間20万個のバッテリーセルを製造.

しかし、この計画は実現せず、同社は生産拡大前に資金が尽きました。その後、2024年夏に第11章破産から復活し、共同創業者であるデビッド・ブラッドウェル博士がCEOとして引き続き率いています。

私たちは、独自の安全で低コストな商用製品を大規模に提供し、バッテリーシステムに対する顧客の強い需要と、よりクリーンなエネルギー未来に応えることを楽しみにしています。

より強固なバランスシートと新たな資本でこの新たなスタートを切るにあたり、Ambriを長時間エネルギー貯蔵市場でリーダー的役割を果たすよう位置付け、ステークホルダーの利益に貢献することに注力しています。

David Bradwell

したがって、Ambriはまだ存続しており、溶融バッテリーに取り組む唯一の企業ではありません。日本のNGKインシュレーター（NGKIF）もナトリウム硫黄溶融塩バッテリーに取り組んでおり、Horien社はナトリウムニッケルクロリドバッテリーを開発しています。

両社の製品はすでに商業化されており、20年以上の寿命が評価されています。

熱/サーマルバッテリー

Stretching even further the definition of battery from electricity storage to simply any energy storage, heat batteries are storing green power in the form of heat instead of electrochemical energy.

バッテリーの定義を電気エネルギーの貯蔵から、単にエネルギー全般の貯蔵へと拡張すると、熱バッテリーは電気化学エネルギーではなく熱エネルギーとしてグリーン電力を蓄えます。

This can bring several important advantages over “normal” batteries:

十分な断熱を行えば、数か月間の熱保持が可能であり、化学バッテリーは日単位で常に電力を漏らします。
熱を保持する材料の大部分は、数十万回のサイクルでも大きな劣化なく使用できます。
使用される材料は安価で豊富であり、例えば砂や純粋な炭素などです。

安価な材料、ほぼゼロの劣化、数か月にわたるエネルギー保持が組み合わさり、熱バッテリーは有力な候補となります。

このアイデアは主に民間企業が探求しており、特にフィンランドのPolar Night Energyは、低品質の砂と少量の金属フレーム・配管だけで、夏の余剰エネルギーを冬に蓄えています。

出典: Polar Night Energy

類似の熱バッテリーはRondo Energyが構想しており、セラミックブリックを最大1500℃まで加熱し、セメントや鉄鋼製造などの産業プロセスに熱を利用します。

出典: Rondo Energy

全体として、重工業や住宅の冬季暖房など、依然として化石燃料を多く消費しているセクターの脱炭素化に有力な選択肢となります。特に、晴れた夏のエネルギーを曇りがちな冬に蓄える設計が役立ちます。

蓄えた熱は熱光起電池（TPV）セルによって電力に変換でき、ミシガン大学の研究者が記録的な44％の効率を持つセルを開発しています²。

出典: Design Boom

結論

電力網や家庭用のバッテリーシステムは、現在のリチウムイオン技術への依存度が低く、エネルギー密度は低くても、より安価で耐久性の高い技術へとシフトする可能性が高いです。現時点で量産化の準備ができているのは、先進的なハニカム構造LFPバッテリーとナトリウムイオンバッテリーです。

長期的には、溶融金属、亜鉛、ポリマー、熱バッテリーなど、よりエキゾチックなソリューションが加わる可能性があります。最終的に、耐久性、材料コスト、製造コストが、超耐久エネルギー貯蔵の「最終形」となるかどうかを決定する要因となるでしょう。

つまり、固体電池が全エネルギー貯蔵市場を支配するほど安価にならない場合もあり得ます。

超耐久バッテリー企業

QuantumScape

QS 価格チャート

2010年に設立されて以来、カリフォルニア州のQuantumScapeは、固体電池分野の有力スタートアップとして、早期にこの領域に参入し、CATL（300750.SZ）やサムスン、LGエナジーソリューション（373220.KS）など、固体電池技術を追求する大手バッテリーメーカーからの独立性が際立っています。