ナトリウムイオン対ソリッドステートバッテリー：リチウムイオンを置き換えるのは誰ですか？
再生可能エネルギーの増加（RE）と電気自動車の急速な成長により、エネルギー貯蔵産業に期待が高まりました。効率の向上、安全性の向上、エネルギー密度の向上、理想的にはコストが削減されます。ナトリウムイオンおよび固体バッテリーは、代替ソリューションを提供することを目的としています。それぞれに独自の利点があり、今後数年間で既存のリチウムイオン貯蔵技術を潜在的に置き換える可能性があります。
この記事では、リチウムイオン電池が段階的に廃止されるリスクがある理由を探ります - 今日もそのリスクが最小限であると思われます。エネルギー貯蔵の未来を支配する最も強力な可能性を備えた2つの新興技術に焦点を当てています：ナトリウムイオン電池と固体バッテリー。
リチウムイオン電池の優位性
現在、リチウムイオン電池はエネルギー貯蔵部門を支配しており、中期的にこの位置を維持することが期待されています。ポータブルデバイスから大規模な再生可能エネルギー +ストレージプロジェクトまで、リチウムイオンテクノロジーはすべての主要な傾向にわたって先導しています。
最近のレポートによると、複数の産業で需要が高まっているため、リチウムイオンイオンバッテリー材料市場は急速に拡大しています。 2024年の419億米ドルから2029年までに1200億米ドルを超えるまで成長すると予測されており、複合年間成長率（CAGR）は約23.6％です。
今日、リチウムイオンバッテリー市場は、テスラ、パナソニック、LGケム、CATL、BYDなどの主要なプレーヤーが率いています。特に、後者の2つの中国企業は、過去2年間で大きな進歩を遂げてきました。
電気自動車の台頭はこの成長の主要な要因ですが、固定エネルギー貯蔵市場は、今後数年間でさらに大きな需要を生み出すと予想されています。
リチウムイオン電池が直面している課題
リチウムイオン電池は、リチウムなどの重要な鉱物や、しばしばコバルトやニッケルなどの重要な鉱物に大きく依存していることがよく知られています。供給の制約により、価格の大幅なボラティリティが生じています。たとえば、バッテリーグレードの炭酸リチウムのコストは、近年、1キログラムあたり5.8米ドルから80米ドルまで変動しています。このボラティリティと希少性は、リチウムイオン電池のコストを引き上げ、長期的な供給リスクをもたらしました。
緊急の問題の1つは、中国以外の主要市場に堅牢なリチウムサプライチェーンがないことです。たとえば、リチウムイオン電池で使用されているグラファイトの約77％が中国から供給されています。これは、世界的な貿易緊張の時代における中国の供給への重い依存を強調し、供給の多様化の重要性を強調しています。
熱暴走によって引き起こされる電気自動車のバッテリー火災などの安全性のリスクは、懸念のある別の層を追加します。
これらの要因は、新世代のエネルギー貯蔵技術への道を開いています。中国以外の企業はリチウムに依存しない代替案を積極的に求めていますが、中国の市場リーダーも彼らの支配が危険にさらされている可能性があることを認識しています。実際、それらの多くは、すでに曲線の先を行くことを保証するために、すでにナトリウムイオンと固体のバッテリーの開発に迅速に移動しています。
ソリッドステートバッテリーの台頭（SSB）
ソリッドステートバッテリー（SSB）は、リチウムイオン電池で使用される液体電解質を、セラミック、ガラス、固体ポリマーなどの固体電解質に置き換えます。かさばるグラファイトアノードを排除し、高密度の固体材料を使用することにより、SSBは同じ容量に大幅に多くのエネルギーを蓄積し、電気自動車（EV）の範囲を広いマージンで拡張する可能性があります。
いくつかの主要な業界のプレーヤーは、この技術の変革の可能性をすでに認識しています。たとえば、2024年に、Quantumscapeは、エネルギー密度844 WH/Lで、そのプロトタイプソリッドステートバッテリー（QSE -5）を発表しました。同社は、2025年に最初の商用100+層セル（QSE -5）を提供する予定です。このエネルギー密度は、最良のリチウムイオンセルの約1.5倍であり、バッテリーのサイズや重量を増やすことなく運転範囲が20〜50％増加する可能性があります。
中国のバッテリージャイアントであるCATL（Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.）は、SSB開発への投資を大幅に増やし、専用のR＆Dチームを1人以上の人々に拡大しました。 CATLは、2027年までにオールソリッド状態のバッテリーの小規模生産をターゲットにしています。
トヨタは、2027年から2028年の間にソリッドステートバッテリーを装備した乗客EVの商業化タイムラインを発表しました。同社は、このイノベーションが運転範囲を最大20％増加させる可能性があると主張しています。 2023年、Solid Powerは、Demo Vehicleプログラムで使用するためのAサンプルセルをBMWに供給しました。フォルクスワーゲン、ヒュンダイ、日産、BMW、トヨタを含む他の主要な業界のリーダーも、ソリッドステートバッテリースペースに戦略的投資を行っています。
範囲の増加を超えて、ソリッドステートバッテリーは優れた高速充電能力も示しています。優れた熱安定性とイオン導電率のおかげで、SSBは細胞を損傷することなく超高速充電率をサポートできます。たとえば、トヨタは、固形状態のバッテリー技術がわずか15分で300 kmの範囲充電を可能にすることを期待しています。これは、ほとんどのリチウムイオンEVの現在の高速充電速度よりも2〜3倍高速で、通常は10％から80％に充電されるまでに約30分かかります。
非炎症性のある固体電解質の使用は、従来のバッテリーセルの重要な安全性リスクの1つを排除します。固体セラミックまたはガラス電解質は火をつかまず、より広い温度範囲で動作できます。また、高容量のカソード材料の使用を可能にし、樹状突起リチウムの成長を抑制することを可能にするため、より高い電圧で安定したままで、サイクルの寿命と安全性の両方を改善します。
さらに、SSBは、複雑な溶媒とバインダーの混合物を必要とせずに、よりシンプルな設計のためにリサイクルしやすい場合があり、問題のある添加物と接着剤の使用を避けます。
ソリッドステートバッテリーを保持しているものは何ですか？
非常に多くの利点があるため、固体バッテリーはリチウムイオン電池を簡単かつ迅速に交換すると仮定するかもしれません。ただし、そうでない場合彼らの高いコスト、SSBはすでに引き継がれているかもしれません。
コストは、広範囲にわたる採用に対する最も重要な障壁のままです。たとえば、BMWグループは、この課題を認めています。同社は今年後半にソリッドステートバッテリーを装備したプロトタイプ車両を発表する予定ですが、SSBを搭載した電気自動車の商業発売は今後10年以内にありそうもないと述べています。
中国のバッテリーメーカーのSunwodaは、ソリッドステートバッテリーがかかる可能性があると推定していますkWhあたり275ドル、ほぼ半固体状態のバッテリーと同等です。ただし、高い材料処理コストそして低い製造利回り、実際のコストは、実際には大幅に高くなる可能性があります。
これらの課題に対処するまで - 特に生産の拡大と材料コストの削減において、固形状態のバッテリーは、広範な商業展開を達成するのではなく、市場の初期段階またはプレミアムセグメントに留まる可能性があります。
それに比べて、2024年12月の時点で、中国のリチウムイオンバッテリーパックの平均価格はkWhあたり94ドル。米国とヨーロッパの価格は残っています30％から50％高、しかし、それでもかなり固体バッテリーのものよりも低い.
そのような、コストは依然として主要なボトルネックですソリッドステートバッテリー技術の支持者は、エネルギー貯蔵市場を真に混乱させるために克服しなければなりません。この点について、ナトリウムイオンおよびリチウムイオン電池ははるかに先ですソリッドステートバッテリーの。
その他の重要な課題には含まれます生産のスケール、特にセラミック電解質の大量製造そして信頼できるアセンブリ固体細胞の。管理固体電解質と電極の間のインターフェースまた、界面抵抗が高くなったり、複数の充電済み充電サイクル上での亀裂をもたらす可能性があるため、懸念事項でもあります。どちらもフルスケールの商業化を妨げています。
さらに、保証します実際のストレス条件下での耐久性、振動、温度の変動、高速充電など、最も差し迫った技術的ハードルの1つのままです。
超手頃な価格：ナトリウムイオン電池の時代
ソリッドステートバッテリーは、電解質を変更してエネルギー密度を高めることにより、リチウムイオン技術を改善しますが、その高コストは依然として大きな課題です。対照的に、ナトリウムイオン（Na-ion）バッテリーは反対の問題に直面しています。リチウムイオン電池で使用される元素をより一般的な材料に交換しようとすることにより、ナトリウムイオン電池のコストは大幅に低下する可能性がありますが、エネルギー密度の点で課題に直面します。
ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン電池とほぼ同じ方法で動作します - カソードとアノードの間のイオンシャトル - しかし、それらはリチウムイオンの代わりにナトリウムイオンを使用します。このシフトは、からすべてを変えます原材料調達の容易さに手頃な価格- これは、将来の主流のバッテリーテクノロジーを決定する重要な要因の1つです。
ナトリウムイオン電池の低コストは、2030年までに、電気自動車のバッテリーの10％未満、しかし、彼らのシェアエネルギー貯蔵アプリケーションは大幅に増加すると予想されます。ナトリウムイオン電池の使用安価な素材リチウムは必要ありません。つまり、生産コストはリチウム鉄リン酸リチウム（LFP）よりも30％低いバッテリー。
ナトリウムイオン技術の最大の魅力は、活用する能力にあります豊富で安価な素材より希少なものを置き換えるため。地球の地殻のナトリウム埋蔵量はそうです1、000倍が大きいリチウムのものよりも。ナトリウムは安く抽出することさえできます比較的無尽蔵の海水.
技術の進歩は、ナトリウムイオンバッテリーの開発への道を開きます
この分野でのイノベーションのおかげで、商業グレードのナトリウムイオン（Na-ion）バッテリーは、周りのエネルギー密度を達成しました130-160 wh/kg、それはそのことです3分の2典型的なリチウムイオンNMC（ニッケルマンガンコバルト）バッテリーのもの。しかし、彼らはすでにエネルギー密度に到達したか、それを上回っています鉛蓄電池、そしてそれに近づいていますリチウムリン酸リチウム（LFP）バッテリー。
専門家は、次世代のナトリウムイオン電池が達成すると主張しています200 wh/kg以上、潜在的に理論的なエネルギー密度の制限を上回りますLFPバッテリー。ナトリウムイオン電池の典型的な寿命は範囲です100から1、000サイクル、およびインドの開発者Kpitは、バッテリーが維持されていると主張しています000サイクルの後の80％の容量保持、リチウムイオンバッテリーの性能に匹敵します。
ナトリウムイオン電池も優れていますパワーと低温性能。一部のデザインは可能です約1 kW/kgの出力密度、それをはるかに超えていますリチウムイオンNMCまたはLFPバッテリー。さらに、ナトリウムイオン電池が展示されています最小限のパフォーマンス劣化AS ASの低い温度で-20程度、一方、リチウムイオン電池は、そのような寒い状態で電荷を維持するか、効率的に迅速に充電するのに苦労しています。
ナトリウムイオン電池もそうです0 vに完全に排出されます損傷を引き起こすことなく、それらを非常に安全にします輸送と保管。発熱が低く、多くの設計で非炎症性材料の使用があるため、ナトリウムイオン電池も実証しています優れた熱安定性。実際、火災リスクナトリウムイオンのバッテリーパックが予想されます大幅に低いリチウムイオンバッテリーパックのそれよりも強化されています安全性電気自動車やグリッドストレージなどの用途。
これらの機能は、中国のリチウムイオンバッテリーリーダーにとってさえ、ナトリウムイオン電池を魅力的なオプションにします。昨年、中国初の大規模なナトリウムイオンバッテリーエネルギー貯蔵ステーションが操業を開始しました - 10 mWhナトリウムイオンバッテリー貯蔵施設、100 MWhプロジェクトの一部。中国南部電力グリッドによって建設されたこの施設は、使用しています210 AHナトリウムイオン細胞そして、いくつかの印象的なデータがあります：バッテリーはそうかもしれませんわずか12分で90％に請求されます.
ナトリウムイオン電池のサポート
グローバルバッテリー製造ジャイアントContemporary Amperex Technology Co. Limited（CATL）ナトリウムイオン電池の可能性を探求することに明らかに熱心です。たとえば、ナトリウムイオンバッテリーをITに統合していますリチウムイオンバッテリーインフラストラクチャと製品。会社はそれを明らかにしました2023、中国の自動車メーカーシェリーCATLのナトリウムイオン電池を使用した最初の会社になりました。
で2024年1月、中央アジアで最大の自動車メーカーであり、最大のバッテリーサプライヤーの1つであるbyd、aを構築する計画を発表しました14億ドルの年間生産能力を持つナトリウムイオンバッテリーファクトリー30 gwh.
欧州企業もこの技術を調査しています。現在破産したバッテリーメーカーノースボルト起動した160 WH/kgナトリウムイオンバッテリー2023年11月、パフォーマンスが検証されました。英国では、ファラディオン10年以上にわたってナトリウムイオンバッテリー技術の先駆者でした。インドの買収Reliance Industries2021年、ファラディオンはaを開発しました160 WH/kgバッテリーそして今、自慢の改善されたバージョンを展開しています20％高いエネルギー密度そして30％長いサイクル寿命。 Reliance Industriesは、aを構築する計画も発表しましたMulti-GWHナトリウムイオンバッテリーファクトリーインドでは、生産が始まる可能性があります2025.
これらの開発は、ナトリウムイオン電池がリチウムイオン電池の優位性に挑戦できる技術になるように設定されていることを強く示しています。
ソリッドステートvsナトリウムイオン：リチウムイオンの支配に挑戦するバッテリー技術はどれですか？
新興バッテリーテクノロジー中 - ナトリウムイオン電池そしてソリッドステートバッテリー- 有望な可能性を示し、最終的に支配するものを予測することは困難です。それぞれの利点を考えると、両方のテクノロジーが進歩に重要な役割を果たす可能性がありますクリーンエネルギーそしてきれいな交通機関将来。
固形状態のバッテリーコストが減少した場合 - 潜在的に電流から低下する$ 150+/kwhリチウムイオン電池用$ 80- $ 100/kwh- 固体バッテリーが支配する可能性があります高性能セグメント、次の10年以内に電気自動車など。これはもっともらしいシナリオです。国際エネルギー代理店（IEA）上に楽観的な見方をしますソリッドステートバッテリーのコスト-2030、その固体技術が商業的な実行可能性を達成する可能性が高いことを強調しています。
一方、ナトリウムイオン電池はもっとありますコスト競争、それらを適切にしますグリッドストレージそして新興市場、そして彼らはより迅速に成功を達成することが期待されています。多くのサポーターが建設を推進しています大規模なプロジェクト次に2〜3年。 2024年、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）市場成長しました44%、設置容量と排出量に達します69 GW/161 GWH。特に、2030、バッテリーは運転する予定ですストレージの成長の90％会うためにネットゼロターゲット.
その結果、さまざまなバッテリーテクノロジーが将来的に現れ、ソリッドステートそしてナトリウムイオン電池道をリードする可能性があります。
