世界初のアノードフリー・ナトリウム全固体電池を開発
(pme.uchicago.edu)- UChicago PMEのY. Shirley Meng研究室とUC San Diegoの共同研究チームは、ナトリウム・固体電解質・アノードフリー構造を組み合わせることで、電気自動車やグリッド蓄電向けの低コスト・急速充電・大容量バッテリーの実現可能性を前進させた
- リチウムの代わりに豊富なナトリウムを使い、アノードを取り除くことでコストと環境負荷を下げ、固体設計によって安全性と出力の確保を狙う
- Nature Energy の論文は、新構造が数百回の安定したサイクル動作を示したと明らかにしており、従来は別々に実現されていた3つの電池コンセプトを1つの構造に統合した点が核心となる
- 設計の要点は、電解質が集電体を包むのではなく、アルミニウム粉末集電体が電解質を取り囲むようにして、固体でありながら液体のような密着接触を実現したことにある
- 研究チームは、このアプローチを化石燃料代替に必要なバッテリー規模のギャップを縮める一歩とみており、UC San Diego Office of Innovation and Commercializationを通じて特許出願を完了した
ナトリウム・固体・アノードフリーを1つの構造に統合
- UChicago Pritzker Molecular EngineeringのY. Shirley Meng研究室傘下のLaboratory for Energy Storage and Conversionが、世界初のアノードフリー・ナトリウム全固体電池を開発した
- LESCは、UChicago Pritzker School of Molecular EngineeringとUC San DiegoのAiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineeringの協力組織である
- ナトリウム電池、全固体電池、アノードフリー電池はそれぞれ存在していたが、3つのアイデアを成功裏に組み合わせた事例はなかった
- 論文 Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery は Nature Energy に掲載され、新構造は数百回の安定したサイクル動作を示した
リチウム依存を減らそうとする理由
- リチウムは地殻中に約20ppm程度しか存在しないのに対し、ナトリウムは約20,000ppmと、はるかに豊富である
- ノートPC、携帯電話、電気自動車向けのリチウムイオン電池需要が増えるにつれて、リチウム価格と供給負担が高まり、必要なバッテリー量の確保はさらに難しくなっている
- リチウム埋蔵地は一部地域に集中している
- チリ、アルゼンチン、ボリビアのLithium Triangleが世界のリチウム供給の75%以上を保有
- そのほかの埋蔵地はオーストラリア、North Carolina、Nevadaなどにある
- リチウム抽出は、鉱石分解に使う工業用酸や、大量の水を地表へ汲み上げて乾燥させる塩水抽出方式のため、環境被害を引き起こす可能性がある
- ナトリウムは海水やソーダ灰の採掘で一般的に得られるため、電池材料としてより環境に優しい選択肢と評価されている
アノードフリー電池が得るものと失うもの
- 従来型の電池は、充電中にイオンを蓄えるアノードを持ち、使用時にはイオンがアノードから電解質を通って集電体を備えたカソードへ移動し、機器や自動車に電力を供給する
- アノードフリー電池はアノードを取り除き、イオンを集電体上のアルカリ金属の電気化学的析出という形で直接蓄える
- この方式は、より高いセル電圧、より低いセルコスト、より高いエネルギー密度を可能にする一方で、電解質と集電体の接触が難しくなる
- 接触問題は電解質の種類によって大きく異なる
- 液体電解質は表面を濡らし、どこへでも流れ込めるため、接触を作りやすい
- 固体電解質は同じようには流れたり表面を濡らしたりできない
- 液体電解質は固体電解質界面層の蓄積を生み、活物質を継続的に消費して、時間の経過とともに電池の有用性を低下させる
アルミニウム粉末で作る集電体設計
- 研究チームは、電解質が集電体を包み込むのではなく、集電体が電解質を取り囲む構造を選んだ
- 集電体は、液体のように流動できる固体であるアルミニウム粉末で作製された
- 電池の組み立て時に粉末を高圧で緻密化することで、固体集電体を形成しつつ、電解質との液体のような接触を維持した
- この構造は低コスト・高効率のサイクル動作を可能にし、ナトリウム全固体電池の開発を前進させうる
- ナトリウム全固体電池は通常、遠い未来の技術と見なされているが、今回の結果は実際に十分機能しうることを示し、関連研究をさらに促進する可能性がある
バッテリー規模拡大と商用化の方向性
- Mengは、米国を1時間運営するには1TWhのエネルギーを生み出す必要があり、経済の脱炭素化には数百TWh規模のバッテリーが必要だと述べている
- 今回の研究は、化石燃料から世界経済を転換するために必要なバッテリーのスケーリングギャップを埋める科学的前進と評価されている
- Mengは、社会的ニーズに合わせて拡張可能な多様なクリーンで低コストなバッテリーの選択肢が、再生可能エネルギーを蓄える未来を支えると構想している
- MengとGrayson Deysherは、UC San Diego Office of Innovation and Commercializationを通じて今回の研究に関する特許出願を完了した
- 研究支援はNational Science FoundationのPartnerships for Innovation grant no. 2044465を通じて提供された
1件のコメント
Hacker News の意見
リチウム価格はこの2年で実際に80%下落しているので、この記事のこの部分は現時点では誤り
「バッテリーによく使われるリチウムはそれほどありふれたものではない。地殻中には約20ppmしか存在せず、ナトリウムは20,000ppmである。
この希少性と、ノートPC、携帯電話、EV向けリチウムイオン電池の需要急増が価格を急騰させ、必要なバッテリーの調達をさらに難しくした。」
出典: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
ただ、これは大学の広報記事なので、回避した問題も生み出したインパクトもどちらも大きく見せる典型的なやり方
核心として、アノードレス電池には望ましい特性が多く、工学的成果として注目に値する。特に、複数の国が自国の原材料だけでバッテリーを作れるほど材料入手性が高く、セルの完全性が損なわれても発熱で壊れにくいため、現在のリチウム電池より自動車向きでもある
次の関門は、多くのバッテリー革新がつまずく量産コストだ。昨日見たように $1/kWh まで下げられるなら、こうしたバッテリーを数多く見ることになるだろう
少し余る程度ではなく大幅な供給過剰を予測しており、価格が下がることで、とりわけ新しく高価な電池は、既存メーカーが値下げする状況では競争が難しくなると見ている
今後数年で、これまで作ってきた量を上回る数のバッテリーが作られることになる。生産量は年1TWh弱から複数TWhへと拡大している。Bloomberg NEF は来年の需要を約1.6TWh/年と見ており、新工場関連投資として 7.9TWh/年 を追跡中だ。すべてが建設されるわけではないが、膨大な容量であり、リチウム需要も大きい。それでも指摘のとおり価格は下落している。リチウムは十分にあり、もはや不足していないからだ
リチウムはチリやボリビアのような場所に多いが、実際の最大生産国はオーストラリアだ。チリはまもなく2位の座を中国に譲る状況にある: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
これらはすべて、リチウムを使わない電池化学を考慮する前の話だ。ナトリウムイオンは今かなり有望に見える。リチウム、コバルト、ニッケルなどが不要で、すでに低価格車やグリッド蓄電に使われている。特にグリッド蓄電では、リチウム系電池が必ずしも最も自然な選択とは限らない
電気には詳しくないが、電子が流れるにはアノードが必要なのではないかと思う
Wikipedia には「代わりに最初の充電時に金属アノードを形成する」とある
まだ完全には明確ではないが、ある程度筋は通っているように思える
Wikipedia の全文は「アノードレス電池（AFB）は、アノードなしで製造される電池である。代わりに最初の充電時に金属アノードを形成する」だ
ちょっと「サーバーレス」っぽい感じ ;)
電池に電荷があるときは、ナトリウム金属の一部がアノードの役割を果たす。完全に放電すると、ナトリウムはカソードへ移動しているのでアノードはなくなる
「最初の充電時に金属アノードを形成する」という点に、なぜ期待すべきなのかわからない
皮肉ではなく、5歳児に説明するように知りたい質問だ
Na4MnCr(PO4)3
クロムは地殻中にリチウムより5倍豊富に存在する（0.01% vs 0.002%）。良くはあるが、とてつもない差というほどでもないように思える
プルシアンブルーを使う「一般的な」ナトリウムイオン電池には、希少元素を使わないという大きな利点があるように見える。この全固体の化学組成と一般方式の比較があるとよいのだが
クロム酸化物やクロマイトの生成ギブズ自由エネルギーは、リチウム含有鉱物よりはるかに負であるため、Cr化合物は融体や溶液から熱力学的に沈殿しやすく、高濃度の鉱石を形成したあと別の過程で押し上げられる。Li+は単一の価電子のため、比較的強い結合や非常に安定した鉱物相を作りにくい
さらに、マグマや岩石中でのCr種の拡散係数は一般にLiより数桁低い。Crは早い段階で結晶構造に閉じ込められて留まる一方、Liは水溶性鉱物の形で移動と拡散を続ける。微生物が堆積物中にCrを濃縮できる生物地球化学的循環もある
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
抽出は面倒かもしれないが、枯渇する物質ではない
3価クロムなのか、6価クロムなのか、あるいは別の形態なのかも重要だ
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
論文のプレプリントはこちら: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
「リチウム抽出は環境にも有害だ。塩水からの抽出は莫大な量の水を地表に汲み上げて乾燥させる」といった表現は、やや誇張に見える
生物の少ない乾燥湖底から水を汲み上げて蒸発させるのは、採掘の環境影響尺度ではかなり低い部類だ。これがナトリウム抽出と比べてどうなのか気になる
ナトリウムは海水を池で蒸発させればよいが、この方法は湿地を破壊する。SF Bay周辺にもそうした場所が多く、一部は原状回復が進められている
Nature Reviews Earth & Environmentの「Environmental impact of direct lithium extraction from brines」（2023）、PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
エネルギー密度、体積、充放電サイクルについては何も語られていない
今回の発表は科学的成果であって、消費者向けの完成品ではない
つまりまだ実験段階であり、製品版が1年以内に出ない、あるいはおそらくもっと長くかかる可能性が高い。製品は当然ながら寿命、重量、容量などさまざまなカテゴリに特化していくため、その時点でそうした指標に意味が出てくる。それまでは、過去の実験結果と比較できる指標を持った実験結果にすぎない
グラフでは約400Wh/kg、約800Wh/Lの密度が示されている。系統用蓄電としては悪くない数値だ
論文 https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 は残念ながら有料の壁の向こうにある
様子を見るしかない。電池技術は、実用的なサイズで放電サイクル中に起こる厄介で複雑な表面反応が本当に可逆的かどうかで成否が決まる
本当のブレークスルーであってほしいが、最初のコメントは、このバッテリーが現実ではできない重要なことを指摘してくれるだろうと予想する
誇大宣伝のサイクルの中で聞いてきたリチウム系全固体電池企業のほとんどは、サイクル数や密度が良さそうに見える全固体電池を持っていたが、基本的には腕時計用電池ほどの大きさだった
しかし、スケールアップはできなかった。現代の電気自動車が使う大きなバッテリーを作れず、現実世界で使われるバッテリーのフォームファクタで量産もできなかったということだ
それでも、これは非常に有望に見える
要旨は「このセル構造は、低コスト・高エネルギー密度・急速充電バッテリーを可能にするための、他の電池化学組成の将来の方向性として用いられる」で締めくくられている。重要な基礎研究であり、探索でもある
いつか大学は研究広報のやり方を本当に見直すべきだ。少なくとも、研究室ではなく詐欺的なスタートアップから出てきたかのように読める見出しは和らげる必要がある
バッテリーで重要なのは規模と総コストだ。元素がより安くても、現在の標準よりかなり優れた、あるいは安い製品を出せるかどうかが重要だ。LFPの台頭を見ればわかる
既存の工場や製造技術を使えるのか、それとも新たに発明したり建設したりしなければならないのかも核心だ。全固体電池の話は15年前から聞いているが、いまだ十分に大きな規模で出てきたものはない
全固体電池が立ち上がるなら、おそらくコストをより高価な製品価格に吸収でき、より高い密度が必要な電動航空とスーパーカーでまず普及するだろう
「数百サイクルにわたって安定した循環」では、実用になるバッテリーに対して一桁足りない
これが商業的に成功して、リチウム電池を作って構築する汚い工程が完全になくなればいいと思う
中国や、児童労働やほとんど存在しない安全規制のような怪しい労働慣行を持つ国々への依存が減ることを願う
免責: このバッテリーが成功することを本当に願っている