未来を動かす 10 の最先端のバッテリー技術

この記事では、未来を動かす 10 の最も先進的なバッテリー技術について説明します。未来に電力を供給するさらに高度なバッテリーテクノロジーについて読みたい場合は、「未来に電力を供給する 5 つの最も先進的なバッテリーテクノロジー」に直接アクセスしてください。

高度なバッテリー技術には、バッテリーの設計と製造における高度な技術と材料の使用が含まれ、バッテリーの性能、効率、耐久性が向上します。これには、より優れたエネルギー密度、寿命、コストを備えたバッテリーの作成や、高速充電やワイヤレス充電などの革新的な充電方法の開発に焦点を当てたさまざまな研究分野が含まれます。先進的な電池技術には、シリコンおよびリチウム金属の負極、固体電解質、先進的なリチウムイオン設計、リチウム硫黄 (Li-S)、ナトリウムイオン (Na-イオン)、レドックスフロー電池 (RFB) などがあります。、亜鉛イオン、亜鉛臭素、亜鉛空気電池。

先進的なバッテリーは、さまざまな業界でいくつかの用途に使用されています。現在、これらはポータブル電子機器、電気自動車およびハイブリッド自動車、エネルギー貯蔵システム、医療機器、産業機器、軍事用途に使用されています。たとえば、Sila Nanotechnologies は、グラファイト陽極の代わりにシリコンベースの陽極を使用する新しいタイプのリチウムイオン電池の開発に取り組んでいます。同社は、この新しいタイプのバッテリーは、従来のリチウムイオンバッテリーと比較してエネルギー密度が高く、充電時間が短縮されると主張しています。同社はバッテリーセルのエネルギー密度を20～40％高めることを目指している。

シリコン負極とリチウム金属負極の開発と使用は、リチウムイオン電池にとって最も興味深い材料の進歩の 2 つです。これらのアノード材料がエネルギー密度を劇的に増加させる可能性は刺激的ですが、定格能力、安全性、さらにはコストの改善も同様に検討されています。シリコンとリチウム金属の寿命に関する大きな問題により、これまで商業利用が遅れ、制限されてきました。 Li-S バッテリーの場合、寿命はさらに困難です。

世界経済全体に対するEVセクターの重要性を考慮すると、リチウムイオン技術は、正極と負極の選択、セル設計の進歩、そしてエネルギー密度の発達速度。エネルギー密度、コスト、持続可能性などの 1 つのパフォーマンスパラメータの改善には、ほぼ常に別のパラメータの代償が伴います。これは、リチウムベース以外の電池の化学的性質を考慮した場合にも当てはまります。

通常、エネルギー密度は、より優れた環境性能、資本コストまたは生涯コストの削減、レート能力の向上、またはより長いサイクル寿命を優先して、リチウムベースの化学物質の代替品によって犠牲にされます。最終的には、特定のアプリケーションと市場の要件によって性能特性の組み合わせが決まり、その結果、技術と化学の選択が決まります。定置型エネルギー貯蔵などでは、より長期間の貯蔵方法の需要が高まっています。これにより、レドックスフロー電池のようなイノベーションへの扉が開かれ、エネルギー容量をより容易に拡張できると同時に、安価で広く入手可能な活物質の使用が可能になります。

もちろん、EV バッテリー部門は多くのバッテリー技術の進歩において大きな焦点となっており、2030 年までに需要が 1500 GWh を超えると予想される市場にサービスを提供する機会を提供します。20 年代の後半を通じて、EV バッテリー市場はシリコン負極、リチウム金属、およびソリッドステート技術をさらに重視しています。現在、アジアと中国がリチウムイオン材料の加工と電池生産を独占しており、特に米国と欧州は現在、独自の電池サプライチェーンの構築と開発に努めており、イノベーションと次世代技術の開発のペースを整えています。価値を捉えて飼い慣らす。

新興企業をイノベーションの代表として地理的に分析すると、米国は次世代テクノロジーのリーダーとして浮上しており、ヨーロッパも顕著な活動を行っています。ただし、この地域における大手電池メーカーや材料会社の存在感が大きいことを考えると、アジアでの発展は過小評価されている可能性があることに注意する必要があります。先進的なバッテリー技術市場は、今後数年間で大幅な成長を遂げると予測されています。市場規模は、2022 年の 957 億ドルから 2027 年までに 1,366 億ドルまで、年平均成長率 7.4% で増加すると予想されています。

先進バッテリー技術業界における 2023 年の今後のトレンドとしては、ソリッドステート技術の使用増加、再生可能エネルギーとの統合、環境に優しい原材料などが挙げられます。この文脈におけるトップ企業には、テスラ社 (NASDAQ:TSLA)、台湾積体電路製造会社 (NYSE:TSM)、ゼネラル・モーター・カンパニー (NYSE:GM) などが含まれます。ヘッジファンドによる購入に最適なバッテリー株に関する記事をご覧ください。

私たちの方法論

これらは、バッテリー業界の慎重な評価から選ばれたものです。商用プロトタイプの実現可能性に基づいて成長の可能性を示すバッテリー技術がリストに選ばれました。さまざまな先進的なバッテリー技術によってもたらされる利点に加えて、バッテリー技術のある側面の改善には通常、別の側面が犠牲になるため、その主要な欠点についても説明します。

従来のリチウムイオン電池は、電気化学の主要成分としてリチウムイオンを使用します。アノード内のリチウム原子はイオン化され、電子から分離されます。次世代のリチウムイオン電池は正極の技術革新に取り組み、より高いエネルギー密度とより低いコストを可能にします。電気自動車で使用されるリチウムイオン電池には、リン酸鉄リチウム、またはリン酸鉄リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸化リチウム、および酸化ニッケルコバルトアルミニウムリチウムの 3 種類があります。

環境に優しく、動作可能性が低いという利点があるにもかかわらず、リチウム電池の従来の黒鉛負極は、電気自動車やハイブリッド自動車の新たなトレンドの要件を満たす容量が限られているなどの課題に直面しています。高密度の次世代リチウムイオン電池には、新しい負極材料が採用されています。これらのバッテリーは、従来のグラファイトよりも高いエネルギー容量と優れたサイクル耐久性を示す可能性があります。現在、アノードの初期不可逆容量を補償するためのさまざまなプレリチウム化方法が発見されています。しかし、大規模な商用アプリケーションはまだ開発されていません。世界で最も多くのリチウムを生産している 12 か国のリストをご覧ください。

テスラ社 (NASDAQ:TSLA)、台湾積体電路製造会社 (NYSE:TSM)、ゼネラル・モーター・カンパニー (NYSE:GM) などの企業は、このような新しいバッテリー技術の開発を支援しています。

リチウム硫黄電池では、正極は硫黄、負極は金属リチウムで構成されています。セル電圧はリチウムイオンセルに比べて比較的低く、約2Vです。

これらの電池は、リチウムイオン電池よりも数倍高いエネルギー密度を持っています。 Li-S の比エネルギーは 550 Wh/kg 程度です。それとは対照的に、従来のリチウムイオン電池の範囲は 150 ～ 260 Wh/kg です。

リチウム硫黄電池の正極として使用される硫黄は、従来のリチウムイオン電池で使用されるコバルトよりも安価です。これらのバッテリーは、エネルギー貯蔵能力とコスト効率が優れているため、将来的には需要が高まります。

リチウム硫黄電池には大きな欠点があります。リチウムイオン電池は 2000 ～ 3000 回充電できるのに対し、リチウム硫黄電池は約 1000 回の充電サイクルで再利用できます。 1500 回を超える充放電サイクルを備えたリチウム硫黄電池は 2017 年に発表されましたが、リーン電解質を使用した商業規模でのサイクル寿命テストはまだ実証されていません。

塩水電池は、電極として濃縮食塩水を備えています。水の分子はナトリウムイオンと塩化物イオンを引き離し、浮遊状態にします。バッテリーの充電中に溶液からナトリウムが抽出され、抽出された塩水は酸素が溶けて排出されます。これは酸化剤として機能し、電気を生成します。

従来のリチウムイオン電池とは異なり、これらの電池は可燃性の電解質を使用していないため、より安全で、製造、使用、リサイクルが簡単になります。研究者らは、食塩水が最大 2.6 ボルトの電気化学的安定性を示すことを発見しました。海水電池は、寿命期間中に 5,000 サイクル充電できます。ただし、これらのバッテリーは可燃性かつ非爆発性であるため、指定されたサイクルを超えて使用することができます。

エネルギー密度が高いため、電子機器に長時間電力を供給できます。ただし、その密度レベルを達成するには、バッテリーをより大きく構築する必要があり、より多くの材料が必要になります。これにより、塩水電池のサイズが大きくなるだけでなく、生産コストも増加します。したがって、これらの電池は商業的に使用されていません。

液体およびポリマーゲル電解質を使用する従来のリチウム電池とは異なり、固体電池は固体電極と、酸化物、ガラス、硫化物などのセラミックスで構成される固体電解質を使用します。これらの電池は、リチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度を持ち、最大7回充電でき、寿命は10年です。

全固体電池は電気自動車の二酸化炭素排出量を 24% 削減できます。研究によると、これらのバッテリーに追加の材料を使用すると、EV の二酸化炭素排出量をさらに 39% 削減できることが示されています。ペースメーカー、RFIDタグ、ウェアラブルデバイスにも使用されています。

トヨタ自動車は全固体電池特許のリーダーとみなされている。現在、全固体電池を搭載した EV は市販されていませんが、2025 年からは EV で使用されると予想されています。さらに、BMW とフォードによって全固体電池が EV でテストされています。ソリッドステート市場の主要企業は、Robert Bosch、Cymbet、BrightVolt、Samsung SDI、QuantumScape、SolidEnergy Systems、トヨタ自動車株式会社などです。

従来のリチウムイオン電池の製造において重要な元素であるコバルトは、高価な金属とみなされています。さらに、世界のコバルト資源の 50 ～ 60% は政情的に不安定なコンゴ (DRC) にあり、疑わしい労働条件で採取されています。コバルトフリー電池は、リチウムイオン電池の正極として代替材料を使用することで、この問題を解決します。

コバルトフリーのリチウムイオン化学物質には、リン酸第一鉄リチウムやチタン酸リチウムなどがあります。マンガンとニッケルは、コバルトフリー電池の電極金属としても使用されます。これらの代替品は、標準的なコバルトベースの電池よりも安価です。ニッケルベースのイオン電池は、コバルトベースの電池よりもエネルギー密度が高いため、消費スペースが少なく、より高いエネルギーが得られます。コバルトフリーのバッテリーは環境への毒性も低いです。

大手EVメーカーのテスラは、第1四半期に生産されたほぼすべての自動車がコバルトフリーのリン酸鉄電池を使用していると述べた。別のEVバッテリーメーカーであるSVOLTは、ニッケルとマンガンを使用したコバルトフリーバッテリーを製造しています。同社が使用する正極材料には、75%のニッケルと25%のマンガンが含まれています。

テスラ社 (NASDAQ:TSLA)、台湾積体電路製造会社 (NYSE:TSM)、ゼネラル・モーター・カンパニー (NYSE:GM) などの企業が、このような新しいバッテリー技術の開発を支援しています。

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