製品進化とマネジメント風景第94話蓄電池における持続可能マネジメント

2023.07.30 コラム

脱炭素化の流れは本格的にグローバル・トレンドになりつつあります。今年の世界的な猛暑をみても、とにかく地球が熱くなっていると感じます。空中の炭素濃度を高める大きな源である化石燃料の使用は、太陽光発電や風力発電に少しずつ置換されはじめました。しかし、世界の電化率はまだ３割に満たないレベルです。

残りは電力以外であり、主に燃料のエネルギーを使っているということです。再生可能エネルギーは実質的に電力なので、脱炭素化の動きが本物になるかどうかは電化率という指標を定点観測すれば、その結果である程度は正確に評価できるでしょう。

なぜ、このような話をするのかと言えば、電化への流れが本物なのかどうか、まだ、確信が持てないからです。本コラムを読んでいただければ、なぜ、確信が持てないのかを分かっていただけると思います。

持続可能エネルギーの代表選手である太陽光発電にしても、また風力発電にしても、その欠点は出力電力の変動が大きいことです。自然を相手にしているから仕方ありません。しかし、電力系統は常に需要と供給をマッチさせる必要があるため、発電側における変動はシステム全体の不安定の元であり、抑制しなければなりません。

現在、電力供給が需要を上回った時に行われていることは、再生可能電力の供給を止めることです。せっかく発生した電力を電力系統に乗せずに捨てるのですから勿体ない話です。捨てるのを止めたければ蓄電、あるいは蓄エネルギーを行わなければなりません。仮に蓄電を選ぶならば、捨てる電力を保存できる大量の蓄電池が必要になるということです。

蓄電池が求められているのは発電所だけではありません。これまで化石燃料を大量消費してきた自動車も急速に脱炭素化を求められており、ＥＶ化が進んでいます。当然、ここでも蓄電池（バッテリー）が求められています。

発電所のように静止したプラントであれば、蓄電池のエネルギー密度をあまり気にする必要はありません。しかし、ＥＶのように移動するモノではエネルギー密度が一定レベル以上であることが求められます。エネルギー密度を追求した結果、ＥＶにおける今の主流はリチウムイオン電池となりました。それに引きずられて発電所にもリチウムイオン電池が納入されるケースが見受けられます。

しかし、冷静に考えればすぐに分かることですが、このリチウムイオン電池は使用する材料供給の面で持続可能性が危ういのです。

持続可能性を考える上で参考になるのがクラーク数です。クラーク数にもいくつかの定義があるようですが、ここでは、地表の一定深さ、海、大気を含めて数値を求める定義を使用します。クラーク数が大きいものは資源が豊富にあり、小さいものは希少であることを意味します。希少であってもリサイクルが可能で普及すれば持続可能になりえます。

では、ここから、リチウムイオン電池の持続可能性を具体的に検討してみましょう。リチウムイオン電池を構成する主たる材料はリチウム、コバルト、ニッケル、リン、銅、炭素などです。これらのクラーク数を見ると、リチウムが0.006、コバルトが0.004、ニッケルが0.01、リンが0.08、銅が0.01、炭素が0.08という結果です。ケイ素の25.8、鉄の4.70、カルシウムの3.39と比べて非常に小さいことが分かります。

少量生産の製品であればレアメタルやレアアースを使っても良いだろうと思います。一方、自動車や発電所用の蓄電池のように大量に物資を使う製品では、クラーク数が一定レベル以上に高いモノを使わないと持続できないと考えます。その基準として合意された数値はありません。個人的感覚としては、クラーク数0.05くらいが１つの目安なのではないかと思います。

仮に上記の基準で考えていくと、リチウムイオン電池の材料でこれを満たすのは炭素とリンだけです。リチウムは海水中に低密度で存在しているので、もし、海水からリチウムを経済性のある抽出技術が確立すれば、以降の話は考えなくても済みます。

しかし、今の所、その可能性は低いと推定されており、さらにリサイクル事業もまだ未確立です。ナノろ過膜等によるリチウム分離技術がいくつか報告されていますが、リサイクル事業として成立するかどうかは不透明です。電化を大規模に進めるためには、持続可能なポストリチウムイオン電池を検討する必要があるでしょう。

ポストリチウムイオン電池の話に進む前に、電極や電線に多用される銅の持続可能性を先に検討しておきます。銅のクラーク数は0.01であり、実は銅を使い続けることにも無理があるかもしれません。ただし、銅はリサイクル技術が確立されています。ですから、代替材を考える前にリサイクルによる持続可能性を高める検討を先にすべきでしょう。リチウムとは状況が異なるのです。

話をポストリチウムイオン電池に戻します。まず、ポストリチウムイオン電池の候補として何があるでしょうか？　新聞や雑誌で目に付くものには、ポストリチウムイオンと言いながら「リチウム」という単語を含む種類の電池が多くあります。

例えば、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池です。さらに全固体電池についても、実はリチウムイオン電池の固体化を行う場合が主流です。そこで、これらについては次世代リチウム系電池と名付けることにします。

次世代リチウム系電池と既存のリチウムイオン電池を比較すると、コバルトやニッケルという代表的レアメタルを使用しない方向に向かっているので持続可能性は高まっています。しかし、次世代リチウム系電池の１つである全固体電池の中には、リチウム以上に希少であるゲルマニウムを使うものがあります。ゲルマニウムのクラーク数が0.00065であり、明らかに大量生産には向いていません。

次世代リチウム系電池は、最終的にリチウムの供給にボトルネックがあるため、現時点では持続可能性が良くないものとして評価します。ポストリチウムイオンで残ったモノを挙げると、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、フッ化物電池、デュアル電池、多価イオン電池などとなります。以降は、これらの持続可能性や実用性を１つずつ検討していきます。

ナトリウムイオン電池はこれまで、エネルギー密度が低いので車載用には向かないと考える向きがありました。しかし、これは奇妙な話です。なぜなら、先進国の多くは、電力エネルギーを補給できる場所がほぼ切れ目なく存在しており、少しくらいエネルギー密度が低くても気にならないからです。

時間が掛かることを覚悟すれば自宅でも普通充電できます。車を毎日使う人には不十分ですが、夜間にある程度の補充はできるわけです。また、今後、急速充電できる場所が増えてくるでしょう。日本で言えば、例えばコンビニエンスストアが急速充電できるインフラに変身してもおかしくないわけです。長時間ドライブをすると言っても、必ず、食事やトイレ休憩が必要なので、充電時間さえ短ければ大きな問題になるとは考えられないのです。

ですから、首都圏、地方圏を含めて都市部における乗用車の利用については、エネルギー密度はそれほど高くなくても十分に使えるはずなのです。にもかかわらず、エネルギー密度の高さや走行距離を競う風潮があり、奇妙に感じていました。100km, 200kmの走行距離を確保できれば、気になるのはむしろ充電時間なのです。

充電時間という話になると、ナトリウムイオンはリチウムイオンよりも高速充電が可能です。イオン半径を示す指標であるストークス半径が小さいからです。充電時間の問題を解決する手段として、電池パックごと交換するサービスの話が出てきました。当然、自動で交換できるようにしないと意味がないので、これを実現するためには専用の機械設備が必要です。場所は取るし、導入コスト、整備コストもかかります。

トラックなどを対象とした産業用事業として成立するのかもしれませんが、乗用車用としては、特に都市部では置き場所に無理があると感じます。最終的には５～１０分で急速充電できる設備が出てくれば、そちらに軍配が上がるのではないでしょうか？

ナトリウムイオン電池の構成材料は、ナトリウム、鉄、マンガン、炭素です。クラーク数は、ナトリウムが2.63、マンガンは0.09です。鉄と炭素は既に述べたので割愛します。希少資源を使っていないことが一番の特徴です。なお、ナトリウムイオンのタイプには負極に錫(Sn)を使うものがありますが、錫は希少なので量産には向きません。炭素は負極に使いますが、安い黒鉛が使えず、ハードカーボンにしないと機能しないので、そこにコスト上の問題が残っています。ハードカーボンを安く造る技術、あるいはこれを代替する材料（チタン系酸化物等）の開発が鍵になりますが、リチウムイオン電池に必要な材料の価格が高騰すれば、今のままでもビジネスになるかもしれません。

カリウムイオン電池はナトリウムイオン電池の親戚として扱われる場合が多いようです。ナトリウムイオン電池よりもエネルギー密度も高速充電能力も上です。性能も良く、また使う材料も豊富な資源なので良さそうに見えますが、一点、負極材のコストに懸念があります。負極には、例えば黒鉛をベースとしたKC8という材料が使えるのですが、今はまだ非常に高価です。既存の製造方法は、高温でカリウムを黒鉛に蒸着させる方法であり、ハードカーボンの製造よりもさらに高コストになりそうです。

フッ化物イオン電池は、性能が良く、安全性の高い全固体化も視野に入れており、その点は問題ありません。問題はやはり材料の持続可能性です。フッ素のクラーク数が0.03と低いのです。もし、正極、負極に希少な元素を含まないフッ素系材料を見つけることが出来て、しかもリサイクル技術も見通しが付けば、持続可能性のある候補になるかもしれません。

デュアルイオン電池は、2種類の金属イオンを使って充電、発電するものです。リチウムとマグネシウムの組み合わせは実用化レベルにありますが、リチウムという希少金属の使用に問題があります。最近では、正極に酸化鉄カルシウム、負極に金属ナトリウムを使うコンセプトが出てきました。持続可能性のあるソリューションに進化するかもしれません。

リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン電池はどれも１価のイオンを用いた電池ですが、多価イオン電池では2価あるいは3価のイオンを使います。具体的には、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオンなどです。コンセプトとしては非常に興味深いのですが、まだ研究レベルであり、今後の発展を見守る必要がありそうです。

今回のコラムでは、大量生産が予想される蓄電池については、エネルギー密度よりも持続可能性を優先すべきだという考え方を述べてきました。空を飛ぶような特別なアプリケーションを除けば、エネルギー密度がある程度（例えば150kwh)よりも上であれば、移動するモノであれ、静止物であれ、十分に使えるだろうと考えます。そういう意味でナトリウムイオン電池は有力な候補と言えるでしょう。

冒頭で述べた電化率を高めるためには、出力が不安定な再生可能電力を上手に制御して運用できるようになる必要があります。そのための手段として蓄電池が欠かせません。太陽光発電や風力発電を増設していくならば、これに合わせて蓄電池も増産していかなければならないということです。

これがグローバルなトレンドになるならば、莫大な量の素材が必要となります。よって、持続可能性の考慮が不可欠なのです。しかし、世の中ではまだリチウムイオン電池が主流です。このままでは素材不足や素材の高騰によって電化率が上がらないのではないかと懸念しているのです。ご理解いただけたでしょうか？

最後に、今回の話から得られる教訓を１つ挙げます。製品の企画段階で重点を置くことを間違えるなということです。短期的な事業成立性だけでなく、供給の持続可能性を含めた長期的な事業成立性を考えた上で製品を企画する必要があるということでもあります。これから新しい大量生産の製品を企画する責任者は、ぜひ、その点を考慮ください。