2023 年の電池の次なる展開

今年は電気自動車用の新しいバッテリー化学と政府の資金提供による製造の促進が期待されます。

世界では毎年、バッテリーで動くものが増えています。 電気自動車は 2022 年に世界の自動車販売の 10% を超え、この 10 年末までに 30% に達する見込みです。

世界中の政策はこの成長を加速させるばかりです。米国の最近の気候関連法案は、バッテリー製造とEV購入へのインセンティブに数十億ドルをつぎ込んでいます。 欧州連合と米国のいくつかの州は、2035年からガソリン車の禁止を可決した。

移行には大量のバッテリー、そしてより高性能で安価なバッテリーが必要になります。

現在のほとんどの EV は、ラップトップや携帯電話にも使用されている数十年前の技術であるリチウムイオン電池を搭載しています。 長年にわたる開発のおかげで価格が下がり、性能が向上したため、今日の EV はガソリン車の価格に近づき、1 回の充電で何百マイルも走行できるようになりました。 リチウムイオン電池は、風力や太陽光などの断続的な再生可能電源のバランスをとるのに役立つ送電網上の蓄電など、新たな用途も見つかっています。

しかし、改善の余地はまだたくさんあります。 学術研究機関も企業も同様に、容量を増やし、充電時間を短縮し、コストを削減するなど、テクノロジーを改善する方法を模索しています。 目標は、電力網に安価な蓄電を提供し、EVが1回の充電ではるかに長い距離を走行できるようにする、さらに安価なバッテリーです。

同時に、コバルトやリチウムなどの主要な電池材料の供給に関する懸念により、標準的なリチウムイオン化学に代わる材料の探索が進められています。

EV と再生可能電力の需要が急増し、バッテリー開発が爆発的に増加する中、確かなことが 1 つあります。それは、バッテリーが再生可能エネルギーへの移行において重要な役割を果たすということです。 2023 年に何が予想されるかは次のとおりです。

EV バッテリーに対するいくつかの劇的に異なるアプローチは 2023 年に進展する可能性がありますが、商業的な影響を与えるにはさらに時間がかかる可能性があります。

今年注目すべき進歩の 1 つは、いわゆる全固体電池です。 リチウムイオン電池と関連化学物質は、充電を往復させる液体電解質を使用します。 全固体電池は、この液体をセラミックまたは他の固体材料で置き換えます。

この交換により、より多くのエネルギーをより小さなスペースに詰め込む可能性が開かれ、電気自動車の航続距離が向上する可能性があります。 全固体電池は電荷をより速く移動させる可能性もあり、これは充電時間を短縮することを意味します。 また、電解質に使用される一部の溶媒は引火性があるため、全固体電池の支持者らは、火災の危険性が軽減され安全性が向上すると主張している。

新しいタイプのバッテリーにより、ついに電気自動車がガソリン車と同じくらい便利で安価になる可能性があります。

全固体電池は幅広い化学物質を使用できますが、商業化の有力な候補としてはリチウム金属が使用されます。 その一例として、Quantumscape 社はその技術に注力しており、2020 年の上場前に数億ドルの資金を調達した。同社は、2025 年までにバッテリーを自動車に搭載できる契約をフォルクスワーゲンと結んでいる。

しかし、電池を完全に再発明することは困難であることが判明しており、リチウム金属電池には製造上の問題だけでなく、時間の経過による劣化も懸念されています。 クアンタムスケープは12月下旬、自動車パートナーにテスト用のサンプルを納品したと発表したが、これは全固体電池の自動車への搭載に向けた重要なマイルストーンとなる。 Solid Power などの他の固体電池メーカーも、電池の製造とテストに取り組んでいます。 しかし、今年も大きなマイルストーンを達成する可能性はあるが、そのバッテリーが道路を走る車両に搭載されるのは2023年になるだろう。

注目すべき新技術は全固体電池だけではない。 ナトリウムイオン電池も、今日一般的なリチウムイオンの化学的性質から大きく逸脱しています。 これらの電池は、液体電解質を含むリチウムイオン電池と同様の設計をしていますが、リチウムに依存する代わりに、主な化学成分としてナトリウムを使用しています。 中国の電池大手CATLは2023年に量産を開始する計画だと報じられている。

ナトリウムイオン電池は性能を向上させない可能性がありますが、リチウムイオン化学電池よりも安価で広く入手可能な材料に依存しているため、コストを削減できる可能性があります。 しかし、これらのバッテリーがEVの航続距離と充電時間のニーズを満たすことができるかどうかは明らかではない。そのため、米国に本拠を置くNatronなど、この技術を追求するいくつかの企業は、定置式蓄電装置やマイクロモビリティデバイスなど、要求の少ないアプリケーションの開始をターゲットにしている。電動自転車やスクーターなど。

エネルギー調査会社ブルームバーグNEFのエネルギー貯蔵責任者、関根弥生氏によると、現在、定置型電力網向け蓄電池市場は小さく、EV用蓄電池市場の約10分の1の規模だという。 しかし、風力や太陽光などの主要な再生可能電源は変動するものであり、バッテリーは必要なときに備えてエネルギーを貯蔵するのに役立つため、再生可能電力の導入が進むにつれて蓄電の需要が高まっています。

リチウムイオン電池は、現在では定置式保管に一般的に使用されていますが、定置式保管には理想的ではありません。 EV 用のバッテリーは小型化、軽量化、高速化が進んでいますが、定置式蓄電池の主な目標はコストを削減することです。 グリッドストレージではサイズと重量はそれほど重要ではないため、さまざまな化学的性質が勝つ可能性が高くなります。

据え置き型ストレージの注目株の 1 つは鉄であり、来年 2 人の選手が進歩を遂げる可能性があります。 Form Energy は、水ベースの電解質を使用し、基本的に可逆的な錆を利用してエネルギーを貯蔵する鉄空気電池を開発しています。 同社は最近、ウェストバージニア州ウィアトンに7億6000万ドルをかけて製造施設を建設し、2023年に建設を開始すると発表した。別の企業ESSも同様の化学反応を利用した異なるタイプの鉄電池を製造している。 オレゴン州ウィルソンビルの本社で製造を開始しました。

リチウムイオン電池は高性能化と低価格化を続けていますが、研究者らは、より優れた性能とコスト削減を実現するために技術をさらに微調整しています。

動機の一部はバッテリー材料の価格変動に由来しており、企業が化学組成の変更を促す可能性がある。 「これはコストゲームです」と関根氏は言う。

正極は通常、バッテリーの最も高価な部品の 1 つであり、NMC (ニッケル マンガン コバルト) と呼ばれるタイプの正極が、今日の EV バッテリーで主流となっています。 しかし、リチウムに加えてこれら 3 つの元素は高価であるため、それらの一部またはすべてを削減することでコスト削減につながる可能性があります。

今年は、リチウムイオン電池に時々使用される低コストの正極材料であるリン酸鉄リチウム（LFP）という代替材料の躍進の年となる可能性がある。

米国の積極的な新たな政策は 2023 年に試されることになる。それらは最終的に世界の半導体産業を細分化する可能性がある。

LFP の化学および製造における最近の改善により、これらのバッテリーの性能が向上し、企業はこの技術の採用に動いています。LFP の市場シェアは急速に拡大しており、2018 年の世界の EV 市場の約 10% から 2022 年の約 40% までとなっています。テスラはすでに一部の車両にLFPバッテリーを使用しており、フォードやフォルクスワーゲンなどの自動車メーカーも、この化学反応を搭載した一部のEVモデルの提供を開始する計画を発表した。

電池の研究は正極の化学に焦点を当てる傾向がありますが、負極も変革の方向にあります。

現在のリチウムイオン電池のほとんどのアノードは、カソードの構成が何であれ、リチウムイオンを保持するためにグラファイトを使用しています。 しかし、シリコンのような代替品は、エネルギー密度を高め、充電を高速化するのに役立つ可能性があります。

シリコン陽極は長年研究の対象となってきましたが、歴史的には製品に使用できるほど長い寿命はありませんでした。 しかし今では、企業は材料の生産を拡大し始めています。

2021年、スタートアップのSilaはウェアラブルフィットネスデバイスのバッテリー用シリコン陽極の生産を開始した。 同社は最近、ワシントン州モーゼスレイクに製造施設を建設するためにエネルギー省から1億ドルの補助金を獲得した。 この工場はシラとメルセデス・ベンツの提携関係にあり、2025年からEVバッテリー用の材料を生産する予定だ。

他の新興企業は、陽極としてシリコンとグラファイトを混合することに取り組んでいます。 GMと提携したOneD Battery SciencesとSionic Energyは今年、商業化に向けて追加の措置を講じる可能性がある。

2022年末に可決されたインフレ抑制法は、気候変動とクリーンエネルギーのために3,700億ドル近くの資金を確保しており、その中にはEVとバッテリー製造のための数十億ドルが含まれている。 「誰もが IRA に注目しています」と、MIT の材料研究者で複数の電池会社の創設者でもあるイェットミン・チャン氏は言う。

IRAは米国の電池メーカーに融資や補助金を提供し、生産能力を高める。 さらに、同法のEV税額控除は、自動車メーカーが米国または自由貿易パートナーから電池材料を調達し、北米で電池を製造するよう奨励している。 IRAの資金提供とEV税額控除の制限により、自動車メーカーは引き続き米国での新たな製造能力を発表し、材料調達の新たな方法を模索するだろう。

電池材料は間もなく不足します。 Redwood Materials のようなリサイクル施設は、ギャップを埋めるのに役立つ可能性があります。

これらすべてのことは、リチウム、コバルト、ニッケルなどのリチウムイオン電池の主要成分に対する需要がますます高まることを意味します。 IRA のインセンティブから考えられる成果の 1 つは、既に高まっているバッテリーのリサイクルに対する関心の高まりです。 一部の重要な材料の需要を満たすのに十分な数の EV がすぐに道路から出てくるわけではありませんが、リサイクルは熱くなり始めています。

CATLや他の中国企業はバッテリーリサイクルをリードしてきたが、この業界は今年、北米やヨーロッパなど他の主要なEV市場で大幅な成長が見られる可能性がある。 ネバダ州に本拠を置くレッドウッド・マテリアルズ社と、トロントに本社を置くLi-Cycle社は、施設を建設し、電池に再利用するリチウムやニッケルなどの主要な電池金属の分離・精製に取り組んでいる。

Li-Cycleは2023年に主要リサイクル施設の稼働を開始する予定だ。レッドウッド・マテリアルズはネバダ州リノ郊外の施設で最初の製品である銅箔の生産を開始し、最近チャールストンに今年から2番目の施設を建設する計画を発表した。 、サウスカロライナ州。

IRAや世界中のその他の政策からの大量の資金がEVとそのバッテリーの需要を刺激しており、2023年は注目の年となるだろう。

このストーリーは、MIT Technology Review の「What's Next」シリーズの一部であり、業界、トレンド、テクノロジーを横断的に見て、将来の展望をお伝えします。

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