ナトリウムイオン電池の登場で、動力電池の「三国志大戦」が到来か？

CATLが第一世代のナトリウムイオン電池を発売。ナトリウムイオン電池は、三元リチウム電池やリン酸鉄リチウム電池との競争で優位に立つことができるでしょうか?動力電池市場に「三国志大戦」が起こるか？

文：趙天宇記者 編集：陳永潔

ニューメディア編集者/ニエ・シュファン

専門家へのインタビュー

張強（清華大学化学工学教授）

于振華（中関村エネルギー貯蔵産業技術連盟会長）

ヤン・ジュン（上海交通大学化学工学院教授）

「15分で80%充電、マイナス20度でもバッテリー劣化なし。」少し前、大手動力電池メーカーのCATLは、第一世代のナトリウムイオン電池を発表するための記者会見を開催した。多くの人がこう叫びました。「CATL は電気自動車を改革するだろう！」

▲ CATLがナトリウムイオン電池を発売（写真提供：Visual China）

ナトリウムイオン電池は、三元リチウム電池やリン酸鉄リチウム電池などの競合製品よりも優れ、トレンドをリードし、次世代の電池技術となることができるでしょうか?

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サイエンスフィクションが現実になるのはなぜそんなに難しいのでしょうか?

少し意外なのは、ナトリウム電池の概念が、1870 年にフランスの SF 作家ジュール・ヴェルヌの有名な SF 小説「海底二万里」の中で初めて提案されたことです。

小説では、ノーチラス号は海水からナトリウム電解質を得て、前進するためのエネルギーとしてナトリウム電池を作ります。これは、ナトリウムが海水から得られ、地元の資源であるためです。

本書で予測されていた電撃銃、潜水服、水中トンネルなどは次々と実現されたが、ナトリウム電池潜水艦に関してはほとんど進展がなかった。ナトリウムイオン電池が本格的に開発されたのは、1970 年代に第三次産業革命が到来してからでした。ナトリウム電池と同時に、現在では人々にとても馴染みのあるリチウム電池も誕生しました。

現在、40年以上が経過し、リチウム電池は生産と生活に広く使用され、特に新エネルギー車の中核製品となっています。しかし、ナトリウム電池の開発は順調ではありませんでした。長い間、それらはエネルギー貯蔵発電所や低速車両などの狭い範囲でのみ使用されてきました。企業がこの製品を商品化しようとしたのは2011年になってからだった。

ナトリウム電池は、その名の通り、ナトリウムイオンを駆動力として利用する電池です。ナトリウムイオンが電池の正極と負極の間を「行き来」することで電荷を移動する動力電池。品質が悪かったため、隅に忘れ去られていました。

なぜナトリウムイオン電池は無視されてきたのでしょうか?これは実際にはその化学的性質に直接関係しています。実際、ナトリウム電池でもリチウム電池でも、その動作原理は似ています。電池の陰極では、元素が電子を失って高原子価イオンに変わり、それが電解質に入り、隔膜を通過して陽極に移動します。イオンは電解質と隔膜を通過できますが、電子は通過できず、外部回路から陽極に流れて外部でのみ機能します。バッテリーはこのように放電します。

リチウムの原子量は6.94で、金属の中で最も軽いです。リチウムの標準電極電位は-3.045Vで、金属の中で最も低い。さらに、リチウムの比容量も金属の中で最も高い一方で、その電気化学的当量は最も小さいです。

これは、リチウム電池が理論上最大のエネルギー密度を達成できることを意味します。電池の分野では、安全性とコスト要因を考慮しなければ、エネルギー密度が絶対的な影響力を持ち、研究者の目にはリチウム電池が第一の選択肢として映ります。

しかし、化学の教科書の周期表を開いてみると、リチウムに最も近い金属元素はナトリウムです。どちらも周期表の最初の列に位置し、最外層に同じ数の電子を持ち、同様の化学的性質を持っているため、どちらもバッテリーの充電と放電を促進する電荷キャリアとして機能します。

しかし、ナトリウムイオン電池にも明らかな欠陥があり、その第一はエネルギー密度が不十分であることです。リチウムの原子量は7、ナトリウムの原子量は23です。原子量が小さいほど、エネルギー密度が大きくなります。

▲ナトリウムイオン電池はかつて忘れ去られていた（写真提供：Visual China）

その結果、三元リチウム電池のエネルギー密度はすでに 200Wh/kg (キログラムあたりのワット時、比エネルギーの単位) を超えているのに対し、ナトリウムイオン電池のエネルギー密度はわずか 100～150Wh/kg に過ぎません。 CATLが現在発売しているナトリウムイオン電池のエネルギー密度は160Wh/kgに達しますが、リチウムイオン電池との差も明らかで、電池の利用効率が著しく低くなっています。

第二に、ナトリウムイオンの半径はリチウムイオンの半径より 70% 大きいため、その動きは非常に遅くなり、負極のグラファイト材料を通過できなくなります。これがナトリウムイオン電池の実用化を妨げるボトルネックにもなっていた。

その結果、科学技術が未発達だった1980年代には、リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池は全く異なる道を歩み、前者は急速に商品化されて消費者市場に欠かせないものとなったのに対し、後者は完全に停滞した。

今日、CATLが発表したナトリウムイオン電池は、この「不運な」技術をより多くの人々に知ってもらうとともに、動力電池の今後の発展に強力な「潜在的な競争相手」を加えた。

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リチウムとナトリウムの愛憎関係

しかし現実的に言えば、ナトリウム電池は完全に役に立たないわけではありません。リチウム電池にはない 2 つの利点があります。

まず第一に、埋蔵量に関して言えば、リチウム資源は限られています。データによれば、現在リチウム資源の 70% が南米に分布している一方、我が国のリチウム資源の 80% は輸入に依存しています。需要の増加に伴い、リチウムの価格も当初の1トンあたり3万8000元から1トンあたり16万元に急騰した。

以前、中国工程院の院士である陳立全氏は、もし世界中のすべての車がリチウムイオン電池を使用し、世界中のすべての電力がリチウムイオン電池に蓄えられたら、リチウムが足りなくなり、新しい電池を検討しなければならないと明言していた。

▲2021年上半期の世界動力電池設置容量一覧（写真出所/Visual China）

ナトリウム資源の埋蔵量は非常に多い。中国のカルハン塩湖だけでも塩化ナトリウムの埋蔵量は426億2000万トンに上り、これは世界のリチウム埋蔵量の約100倍に相当します。ナトリウム資源は、非常に「優れた」「再生不可能なエネルギー」であると言えます。

第二に、使用特性の面では、ナトリウムイオンのエネルギー密度は良くないが、その化学的性質は比較的安定しているため、温度に敏感ではなく、リチウムデンドライトのような硬いデンドライトを形成しにくい。また、低温耐性と安全性の点でも、同様のリチウムイオン電池に比べて明らかな利点があります。

したがって、理論的には、ナトリウムイオンが電池内で自由に移動できる限り、ナトリウム電池のエネルギー密度が低いという問題を解決できる可能性があり、ナトリウム電池がリチウム電池に「反撃」する希望を持つことになります。国際競争の激化、世界的なエネルギー転換、炭素排出量の削減、カーボンニュートラルを背景に、ナトリウム電池などの新製品ラインの開発には、豊富な政治的、経済的利益があります。

これが、ナトリウム電池を「復活」させようというCATLの本来の意図なのかもしれない。

記者は、既存のナトリウムイオン電池の正極は、一般的に紺碧白と層状酸化物の2種類の材料で作られていることを知った。ナトリウムイオンは通過できますが、サイクル中にバッテリー容量が急速に低下し、バッテリーのエネルギー密度が大幅に低下し、耐久性が著しく低下します。

こうして、CATLが開発した全く新しいアイデアのナトリウム電池が誕生しました。材料のバルク構造の電荷再配置により、サイクル中のプルシアンホワイトの急速な容量低下の問題が解決されました。負極材料に関しては、比容量が高く、挿入・脱離が容易で、サイクル特性に優れているという特徴を持つ、独特の細孔構造を持つ硬質炭素材料が開発され、対応する電解質が正極材料と負極材料に最適化されています。

▲ ナトリウムイオン電池の動作原理図（写真提供/Visual China）

このようにして、ナトリウムイオンはエネルギーを過度に減衰させることなく、正極と負極の間を自由に移動することができます。さらに、リチウムイオン電池の生産ラインはナトリウム電池の生産にも利用でき、コストを効果的に抑制できます。

CATLが発表したデータによると、技術最適化後の「新生」ナトリウムイオン電池は、単セルエネルギー密度160Wh/kgを達成し、リン酸鉄リチウム電池の標準（150～210Wh/kg）にほぼ達した。室温で 15 分間充電すると、バッテリーは容量の 80% に達します。氷点下20℃の環境でも放電保持率は90%以上です。同時に、システム統合効率は 80% 以上に達します。

「急速充電」、「耐低温性」、「高集積効率」というキーワードは、リチウム電池の現在の問題点を直撃し、新エネルギー車の耐久性問題を解決する希望と、動力電池の未来に向けた新たな開発理念を人々に見せている。

▲パワーバッテリー競技会（写真提供：Chai Qingyan、画像をクリックすると拡大します）

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エネルギー密度の低さは解決すべき課題

1年半前に戻りましょう。 BYDは2020年4月、注目を集める形でブレードバッテリー製品を発売し、「耐久性」と「安全性」の面でリン酸鉄リチウムバッテリーを再構築し、動力バッテリー業界全体を変えることを期待しています。

しかし、現実には、ブレードバッテリーはバッテリー寿命を延ばしますが、低温の影響を避けることはできません。低温耐性は三元リチウム電池ほど良くないと報告する消費者もいます。多くの業界関係者はまた、ブレードバッテリーは体積利用の点で極端な最適化を行っただけで、材料の真の革新は行っていないと指摘した。

これは、CATLが最近大々的に発売したナトリウム電池と非常によく似ています。

清華大学化学工学教授の張強氏の意見では、ナトリウムイオン電池の最大の問題は、エネルギー密度が低いという問題がまだ解決されていないことだ。

張強氏は、乗用車の分野では三元リチウム電池のエネルギー密度が300Wh/kg以上の目標に向かって進んでいると説明した。それに比べて、ナトリウム電池のエネルギー密度は半分に過ぎず、リチウム電池との差は依然として明らかです。それ自体と比較すると進歩はしているものの、全体的な環境におけるエネルギー密度は依然として比較的低い状態にあります。 「次世代ナトリウム電池のエネルギー密度目標は200Wh/kgですが、この研究開発プロセスに必要な時間を見積もることは現時点では困難です。」

そのため、CATLは今回発表したナトリウムイオン電池に対して、ナトリウムイオンモジュールとリチウムイオンモジュールを特定の割合で同じ電池パックに封入するAB電池ソリューションを提供し、「一台二役」の目的を達成し、新たなリチウムナトリウム電池を生み出し、より多くの応用シーンを生み出しました。

▲ナトリウムイオン電池の応用シーン（写真提供/Visual China）

しかし、この二重目的の技術的解決策は、むしろ同社の自己正当化に近い。この解決策はこれまでいかなる主流の新エネルギー車モデルにも適用されたことがなく、三元リチウムとリン酸鉄リチウム電池を混合する方法さえも登場したことがない。超長寿命バッテリーを追求し、超高エネルギー密度を必要とする中高級乗用車では、リン酸鉄リチウム、三元リチウム電池、さらには将来的には全固体電池が主流となる可能性があります。

「ナトリウムイオン電池のエネルギー密度が大幅に向上するまでは、ナトリウム電池は乗用車分野でのチャンスはほとんどなく、最初の応用シナリオはエネルギー貯蔵分野になるかもしれない」と中関村エネルギー貯蔵産業技術連盟の于振華会長は述べた。

しかし、エネルギー貯蔵の分野でも、ナトリウム電池の産業化への道のりには解決すべき問題が数多くある。海水や塩湖にはナトリウムが豊富に存在するが、わが国の関連抽出技術は成熟しておらず、上流と下流の産業を育成するには一定の時間がかかる。ナトリウムの価格はリチウムよりも安いですが、エネルギー密度が低いため補助材料や製造コストが高くなります。関連する実験計算によると、ナトリウムイオン電池の補助材料と製造コストはほぼ 75% を占めます。

「上流と下流の連携した産業チェーンを確立しなければ、ナトリウム電池のコストを制御することは容易ではない。」上海交通大学化学工学学院教授でエネルギー技術研究所副所長の楊軍氏は、現在の規模では、真に市場志向で産業化されたナトリウム電池製品を形成するには、あと2～3年、あるいはそれ以上かかるかもしれないと考えている。

ナトリウムイオン電池の大量生産化には時間がかかるものの、乗用車分野へのナトリウムイオン電池の参入は、動力電池の川上展開や原材料価格変動の影響軽減に向けた模索であることは間違いない。産業化への道が成功するかどうかは別として、リチウム電池の上流価格の高騰に警鐘を鳴らし、エネルギー転換や多様な技術ルートの開発に向けたさらなるアイデアや方法も提供した。

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リン酸鉄リチウム電池が「好転」

ナトリウム電池が動力電池の分野に大きく進出する中、業界関係者の間でもう一つの大きな注目を集めている現象があります。三元リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池の市場シェアバランスが静かに傾き始めており、これは非常に興味深いことです。

現在の市場では、リン酸鉄リチウム電池と三元リチウム電池の 2 つが主流の電池です。本質的にはリチウム電池だと考える人もいますが、材料構造に違いがあります。リン酸鉄リチウム電池は、正極にリン酸鉄リチウムを使用します。三元系リチウム電池は三元ポリマーリチウム電池とも呼ばれ、主にニッケルコバルトアルミニウムまたはニッケルコバルトマンガンを正極として作られています。

しかし、リン酸鉄リチウム電池は本質的には鉄電池であり、真のリチウム電池ではないという見方もあります。そのため、エネルギー密度や安全性などの面で両者の間には大きな隔たりがあります。

リン酸鉄リチウム結晶中の PO 結合は安定しており、分解しにくいです。発火点は500℃以上です。高温や過充電の場合でも、コバルト酸リチウムのように崩壊して発熱したり、強い酸化物質を形成したりしません。したがって、リン酸鉄リチウム電池は安定性に優れていますが、放熱が遅い、発熱が少ない、エネルギー密度が低いなどの明らかな欠点もあります。バッテリー寿命を延ばす代わりに、音量比を上げなければなりません。

従来の認識では、リン酸鉄リチウム電池は安全性能が優れており、コスト面での優位性もありますが、エネルギー密度と走行距離の観点からは、三元リチウム電池の方が優れています。そのため、長い間、リチウム電池が原因で電気自動車が自然発火する事故が頻繁に発生しているにもかかわらず、三元リチウム電池は依然として市場で人気を博しています。

データによると、リン酸鉄リチウム電池の市場シェアは2017年には49.6％でしたが、2018年には37.8％に低下し、2019年にはさらに32％に低下しました。商用車を除き、ほぼすべての乗用車に三元リチウム電池製品が使用され始めています。

リン酸鉄リチウム電池が「優雅に退場」するだろうと人々が考えていたちょうどその時、状況は劇的に変化しました。まず、リン酸鉄リチウム電池の市場シェアは下落を止めて回復し、テスラモデル3、モデルYからBYD漢、小鵬P5など、ますます多くの自動車会社がリン酸鉄リチウム電池を搭載したモデルを発売し始めました。

▲三元系リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池の使用材料の違い（写真提供/Visual China）

2021年、リン酸鉄リチウム電池の市場シェアはさらに拡大しました。今年1月から5月までの国内リン酸鉄リチウム電池の生産量は29.9GWhに達し、ほぼ3年ぶりに三元系リチウム電池の生産量を上回った。この破壊的な変化は業界で広く注目を集めています。

中国電池工業協会の王景中副会長は、安全性などの面でリン酸鉄リチウム電池の性能は常に三元リチウム電池よりも優れていると分析した。近年の技術の進歩により、エネルギー密度や走行距離が向上しただけでなく、コストも大幅に削減され、リン酸鉄リチウム電池の「ターンアラウンド」にさらに信頼性の高い基盤が整いました。

そのため、ナトリウム電池の登場により、人々の注目は新たな方向に移っています。技術的要因に左右されるこのタイプの動力電池は、将来、リン酸鉄リチウム電池のように「逆転」し、動力電池分野における「龍と虎の戦い」を「三国志」に変えることができるのでしょうか。

専門家から見たナトリウム電池>>>

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ナトリウムイオン電池は将来多くの可能性を秘めている

中国科学院院士、北京大学物理学院教授の甘子昭氏（写真：張星海）

新エネルギー車のバッテリーについては、現在、リチウムバッテリーが業界で広く使用されており、ナトリウムバッテリーは比較的珍しいです。しかし、ナトリウム電池にはリチウム電池に比べて依然としていくつかの利点があります。リチウム電池の負極材料は銅ですが、ナトリウム電池の負極材料はアルミニウムです。アルミニウムの価格は銅よりもはるかに安いので、将来的にはナトリウム電池に多くのチャンスがあります。

バッテリーの問題をさらに深く掘り下げていくと、現代の凝縮物質物理学の理解が必要になります。電池では伝導はイオンです。凝縮物質物理学の発展により、イオン伝導に関する理解がより明確になり、最終的にはバッテリー産業の進歩をもたらし、それはまさに新エネルギー自動車産業の大きな進歩となるでしょう。

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ナトリウム電池とリチウム電池の間には代替関係はない

張強、清華大学化学工学教授

省エネ、排出削減、カーボンピークの推進を背景に、国のエネルギー貯蔵の需要と相まって、リン酸鉄リチウム、三元リチウム、ナトリウム電池のいずれであっても、その存在には意味があります。ただし、ナトリウム電池とリチウム電池は市場セグメントが異なり、それぞれ独自の用途と応用分野があります。現時点では誰が誰の後任になるかは問題ではない。

具体的には、リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため、乗用車などの移動用途ではその利点がより顕著になります。ナトリウムイオン電池はそれほど高いエネルギー密度を持たないため、エネルギー貯蔵ステーションなどの固定エネルギー貯蔵に適している可能性があります。また、具体的なモデルの種類や使用上の地域差などにも注意する必要があります。例えば、ハルビンで使用されているバッテリーは、海南島で使用されているバッテリーとは明らかに異なります。

今後、エネルギー分野の変革に伴い、動力用電池の需要は減少することなく増加するばかりで、供給が需要を上回る状態となるでしょう。ですから、この観点からすると、ナトリウム電池であれリチウム電池であれ、市場は間違いなく「より良くできるものを使い、より良くなったものを使う」という原則に従うことになるでしょう。猫が黒くても白くても、ネズミを捕まえることができれば、それは良い猫です。

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ナトリウム電池は「技術的内容」を改善しなければならない

中関村エネルギー貯蔵産業技術連盟会長 于振華氏

ナトリウム電池は現在、初期段階にあります。ナトリウムイオン電池については、学術的には統一された技術ルートがなく、関係各社は「手探りで川を渡る」状態にある。業界では、CATLのバッテリーはまだ量産されておらず、主要材料の供給体制も健全ではない。

ナトリウム電池の将来にはまだまだ長い道のりが残っています。乗用車の分野では、エネルギー密度の問題により、ナトリウム電池は短期的にはリチウム電池と競争することができず、「技術的内容」を向上させる必要がある。

エネルギー貯蔵電池の分野では、リン酸鉄リチウム電池が現在エネルギー貯蔵電池の主な技術的ルートとなっています。ナトリウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池のエネルギー密度の差は大幅に縮まっており、将来技術が成熟すると、市場には差別化された選択肢が生まれる可能性があり、これはナトリウムイオン電池にとってもチャンスとなるでしょう。

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ナトリウム電池はまだ大量生産できず、市場テストが必要

上海交通大学化学工学部教授、エネルギー技術研究所副所長ヤン・ジュン氏

現在発売されているナトリウム電池のエネルギー密度は160Wh/kg以上に達しています。この数字はかなり高く、進歩は非常に明白です。ただし、このバッテリーが今すぐに大量生産できるわけではないことに注意が必要です。むしろ、実際に市場に投入されるまでには、さらに 2 ～ 3 年かかるかもしれません。発売後はエネルギー貯蔵分野に向けるにせよ、乗用車分野に向けるにせよ、需要を満たす製品であるかどうかは市場でテストされる必要がある。

三元系リチウム電池とリン酸鉄リチウム電池の割合については、具体的な分析が必要です。使用シナリオは異なります。コスト要因と安全要因があります。例えば、ドローン用のバッテリーは非常に高いエネルギー密度が求められるため、リン酸鉄リチウムバッテリーは適していません。したがって、この側面を予測するのは実際には困難です。

▲2021年8月23日北京科学技術ニュースの表紙

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |サイエンスプラスクライアント

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