陽極電池技術：未開拓の可能性？

バッテリーの最高性能を向上させるために材料の最適化が求められている中、バッテリー技術におけるイノベーションは不可欠です。こうしたイノベーションは、「ファラデー・バッテリー・チャレンジ」（英国研究・イノベーション・チャレンジ基金の一部）のような取り組みによって推進されており、英国における強力なバッテリー産業の成長を促進するため、2017年から2025年にかけて5億4100万ポンドが拠出されています。欧州特許庁では、2023年にバッテリー関連の特許出願件数が前年比28％増加した。

これまでのあらすじ

電池技術の分野では、持続可能で高性能かつ手頃な価格の電池を製造・商品化することを目指し、負極、正極、電解質の各要素について研究開発が進められています。

電池材料を商品化する際に考慮すべき主な要素は、エネルギー密度、出力密度、コスト、および寿命であることは言うまでもない。電池業界においては、これらの要素間のバランスを見出す必要がある。

欧州特許庁のデータによると、イノベーションは依然としてリチウムイオン電池に偏っており、電池関連の特許出願の45％がこの技術に関するものであるのに対し、その他の電池化学系は7.3％にとどまり、残りは製造やエンジニアリングの側面に関するものである。

これまで、リチウムイオン電池技術における技術的進歩の大部分は、新規正極材料の研究とその後の実用化に向けられてきました。これらが電池研究の焦点となってきたのは、正極が電池の中で最も高価な構成要素であるためです。一般的な正極材料は、コバルト、ニッケル、マンガンの酸化物を主成分とするものが多く、現在の市場需要を基に推計すると、コバルトの供給は2030年までに枯渇すると見られています。したがって、減少しつつあるコバルトへの依存度を低減するためには、代替材料の探索が不可欠である。

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負極材料については、これほど広範な研究が行われていないため、負極の最適化を単独で、あるいは正極の最適化と組み合わせて行うことで、電池性能を向上させる大きな可能性がある。

現在のリチウムイオン電池技術では、主にグラファイト、シリコン、チタン酸リチウム（LTO）という3種類の負極材料が使用されています。

グラファイトは圧倒的に最も一般的な材料であり、リチウムイオン電池の90～95％がグラファイト負極を使用していると推定されています。充電時には、リチウムイオンがグラファイト層間に挿入されることで容易に蓄積され、放電時にはその挿入が解除されます。グラファイトは平均的なエネルギー密度を示します。3つの材料の中で最も安価であり、数百回から数千回という、許容範囲内のサイクル寿命を持っています。しかし、放電時の出力密度は良好である一方、急速充電を使用する際には安全上の制約があります。これらの安全上の制約は、リチウムデンドライトの形成やリチウムメッキに起因します。これらは、負極がリチウムイオンを十分な速度で吸収できないために、充電過程で負極上に金属の微細構造が形成される現象です。これらのリチウムデンドライトは内部短絡を引き起こし、バッテリーの致命的な故障につながる可能性があります。

シリコンまたは酸化シリコンの負極材料は、高エネルギー密度の電池に使用されています。シリコン系負極の高いエネルギー密度は、リチウムイオンを貯蔵する高い電位容量に起因すると考えられます。すなわち、1つのシリコン原子は最大3.75個のリチウムイオンと結合できるのに対し、グラファイトの1つの炭素原子はリチウムイオンのわずか1/6しか結合できません。シリコンや酸化シリコンをグラファイトと混合することで、純粋なグラファイト負極と比較して潜在容量を向上させることができる。シリコン系負極材料は手頃な価格であり――グラファイトよりは高価だが、LTOよりは著しく安価――、出力密度も良好である。シリコン系負極材料の主な問題は、その寿命にある。リチウムイオンの挿入・脱挿入に伴い、負極の構造は大きな体積変動を起こし、その結果、寿命はわずか数百サイクルに制限されてしまう。

LTO負極材料は高出力と長寿命を特徴としており、その寿命はグラファイトやシリコン系電池に比べて最大10倍長くなる可能性があります。最適化を行えば、数万回の充放電サイクルが期待でき、LTOを陽極材料とする電池は他の代替技術に比べて充電速度が著しく速い。しかし、結晶構造内に収容できるリチウムイオンの数が限られているため、電池のサイズが問題となるほど大きくなってしまう。例えば電気自動車に搭載する場合、車体の約半分が電池で占められてしまうことになる。同じ理由から、LTOを陽極材料とする電池は非常に高価である。

負極材料分野における現在の研究には、ハードカーボンおよびソフトカーボン系材料の開発が含まれる。これらはグラファイトよりも高い電圧に対応可能な材料であり、デンドライトの形成を抑制することで、電池の安全性を向上させる。これらの材料に関連する課題としては、副反応の低減やリチウム損失の抑制などが挙げられる。また、混合ニオブ酸化物材料も注目されている負極材料の一つであり、LTOと同様の利点を有しつつ、より競争力のあるエネルギー密度と低コストを実現している。

開発の可能性

現在の電池技術が抱える課題や限界を克服するため、幅広い用途にわたって、陽極のさらなる開発には明らかに可能性が秘められている。

マッキンゼーの「Battery 2030」レポートによると、リチウムイオン電池の需要は年率約27％のペースで拡大し、2022年の約700 GWhから2030年までに約4.7 TWhへと増加すると予測されています。リチウムイオン電池のバリューチェーンの規模は、2022年の約850億ドルから、2030年には4,000億ドル以上に拡大すると予測されている。

したがって、今後数年間は、バッテリー技術に関するイノベーションや特許出願活動が引き続き活発化することが予想される。

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