テクノロジーのトレンド
ナトリウムイオン電池：電気自動車の未来を担う新たなトレンド
2021年7月19日
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背景
電気自動車用バッテリーのコスト
電気自動車にはより高性能なバッテリーが必要な理由
電気自動車、特に再生可能エネルギーを利用して発電する電気自動車は、地球規模の気候変動対策に貢献する未来のモデルとして期待されている。しかし、長年にわたり自動車メーカーはバッテリー技術に希少で比較的高価なリチウムを使用してきたため、世界的な電気自動車の普及は遅れている。
電気自動車、商用車、電動自転車は急速に普及しているものの、その利用範囲は依然として限られている。高価格、煩雑な充電設備、そして大量の原材料を消費するバッテリー製造プロセスなどが、電気自動車の急速な発展を阻害している。
電気自動車を広く普及させるためには、自動車メーカーはより高性能で耐久性があり、持続可能で、かつ手頃な価格のバッテリーを開発する必要がある。
リチウムの代わりにナトリウム
素材比較
リチウムの代わりにナトリウム
ナトリウムイオン電池は有望な選択肢となる可能性があり、近年のナトリウムイオン電池の開発は驚くほど進歩している。近い将来、ナトリウムイオン電池は電気自動車、スマートフォン、ノートパソコンなどに使用されているリチウムイオン電池に取って代わる可能性がある。
リチウムとナトリウムは、いずれもアルカリ金属であり、化学的性質が非常によく似ている。ナトリウムはリチウムよりもエネルギー密度は低いものの、入手が容易で比較的安価である。
有望なブレークスルー
プロトタイプの進捗状況
有望なブレークスルー
ナトリウムイオン電池の性能は、リチウム電池よりまだ約20年遅れています。過去10年ほど、研究者が主にリチウム電池の性能向上に取り組んできたことが理由です。
今では画期的な研究論文だけでなく、先進的な試作品もあります。5月に発表された報告によると、韓国で開発されたナトリウムイオン電池は、約500回のフル充電を経て、容量が当初の80%に低下しました。
米中共同研究チームが開発した別のバッテリーは、同じ容量で約450回の充電が可能である。中国製のナトリウムイオン電池は容量は小さいものの、12分間の急速充電を1200回繰り返した後でも、バッテリー容量の70%が残っている。
大したことないように聞こえるかもしれませんが、実際には、これらのバッテリーは日常生活で完全に放電した後に再充電されることがほとんどないため、より多くの充電回数に耐えられる可能性があります。実験でバッテリーを完全に放電して再充電することは、バッテリーにとってより大きな摩耗を引き起こします。
金属元素であるリチウムは希少で高価ですが、現在のバッテリー技術のほとんどはリチウム電池を使用しています。元の図は、2019年におけるリチウム埋蔵量上位国を示しています。
さらに、ナトリウムイオン電池技術は希少資源を必要としません。カソードの製造には希少なリチウム塩は不要で、食塩で十分です。高性能なアノードは、褐炭、木材、その他のバイオマスから製造できます。製造工程において、コバルトなどの希少物質は必要ありません。
基礎研究
グラフェンとナトリウムイオン
基礎研究における画期的な発見か？
ナトリウムには2つの欠点がある。まず、ナトリウムはリチウムの3倍の重さがあるため、リチウム電池ではナトリウムイオンが電池全体の重量の5％未満しか含まれていないとしても、ナトリウムイオンを含む電池はリチウム電池よりも重くなる。
さらに、ナトリウム電池の性能は劣る。ナトリウムイオンはリチウムイオン電池よりも0.3ボルト低い電圧しか持たないため、エネルギー密度が約10%低下するのは避けられない。最も重要なのは、現在の電池の黒鉛負極では十分な量のナトリウムを保持できないことである。
ドイツ・ドレスデンのヘルムホルツ科学研究センター（HZDR）が主導する独露合同作業グループが発表した報告書によると、ナノカーボンはこの問題の改善に役立つ可能性がある。報告書は、超薄型炭素材料である二層グラフェンを使用することで、グラファイトよりも多くのナトリウムイオンを陽極に蓄積できると指摘している。
将来的にグラフェン電極をリチウムイオン電池に搭載し、現在一般的に使用されている黒鉛負極に置き換えることができれば、電池容量を大幅に増加させることが可能になるかもしれない。
HZDRの物理学者クラシェニンコフ氏は、これを2枚の紙の間に小さなボールを挟むことに例えた。紙の間に小さなボールを挟み続けると、紙はさらに押し広げられ、2枚の紙の間の隙間が大きくなっていく。
互換性のある技術
多層構造
互換性のある技術？
リチウム電池の多層構造が有効であれば、ナトリウムなどの他のアルカリ金属にも適用できるのだろうか？ドレスデン、シュトゥットガルト、モスクワの研究者チームは、高度なスーパーコンピューターシミュレーションを用いてその解明を目指している。
これまでのナトリウムイオン電池の試作品は、ナトリウムがグラファイト負極にほとんど入り込めないため、うまく機能していませんでした。しかし、コンピューターによる計算では、ナトリウムはリチウムと同様に、多層構造のグラフェン層の間に埋め込むことができることが示されています。
将来、ナトリウムイオン電池に現在の黒鉛負極の代わりにグラフェン電極が採用されれば、より高い蓄電容量が実現できる可能性がある。
これらの研究結果は、安価なナトリウム電池の開発における画期的な進歩をもたらす可能性がある。クラシェニンコフ氏は、この研究は純粋に理論的なものであり、研究結果のみに基づいて近い将来に新世代電池の開発を提唱するものではないが、技術者にとって興味深い新たなアイデアを提供する可能性があると述べた。
未来のバッテリー
将来展望
未来のバッテリー
幸いなことに、ナトリウムイオン電池はもはや単なる理論上の概念ではなくなった。関連技術における画期的な進歩が間近に迫っているようだ。
最新の研究結果によると、高価なリチウムイオン電池に代わる、実用的で手頃な価格かつ資源効率の良い代替品が既に存在しており、多層構造によって性能を向上させる可能性さえあることが示されている。
ナトリウムイオン電池技術が量産化され、電気自動車や携帯電話に実用化されるまでには、確かにしばらく時間がかかるだろう。しかし、いったん実用化の機が熟せば、技術は比較的似ているため、生産ラインをリチウムイオン電池からナトリウムイオン電池に切り替えるのに大きな問題はないはずだ。
