ナトリウムベースの電池はエネルギー貯蔵市場にとって新しいものではありませんが、業界がリチウムの代替を求める中、2020年代初頭にこの技術への関心が急速に高まり始めました。この時期、リチウム価格が急騰し、世界のリチウム精製の大部分が中国に集中していたことから、世界各国の政府やメーカーは電池の化学組成の多様化を図る動機を持つようになりました。ナトリウムは地球上で6番目に豊富な元素であり、ナトリウムイオン電池は従来のリチウム電池と類似した方式で機能し、製造できるため、液流電池などの他の先進技術よりも導入が容易です。ただし、複数のリチウム化学組成が存在するのと同様に、異なるタイプのナトリウム電池はそれぞれ異なる用途に適しています。

ナトリウム電池とは何か？

ナトリウムベースの電池は、豊富なナトリウムを利用して無毒な電力を生成します。他の反応性物質が化学組成に加えられない限り、可燃性や爆発性はなく、広い温度範囲で動作できます。また、ナトリウム電池セルは、完全にゼロ充電まで放電してもシステムに損傷を与えません。

充電時にナトリウムイオンは正極から負極へ移動し、放電時には負極から正極へ戻ります。製造プロセスはリチウム電池とほぼ同じです。正極と負極はスラリーでコーティングされ、セルパウチに電解液が充填され、モジュールが密封されます。ナトリウムセルメーカーは、導入を容易にするため、リチウムセルと類似したフォームファクターを採用しています。

重要な違いは集電体の設計にあります。ナトリウム電池は通常アルミニウムのみを使用しますが、リチウム電池はアルミニウムと銅の両方を使用します。アルミニウムのみを使用することで、理論上ナトリウム電池はコスト面で優位性を持つとされています。さらに、ナトリウム電池は広い温度範囲で動作し、火災リスクが最小限であるため、リチウム電池エネルギー貯蔵システム（BESS）に見られる加熱、冷却、消火システムを必要としません。そのため、大規模なナトリウムエネルギー貯蔵システムは、リチウム式のものと比べて設置面積を大幅に縮小できます。電気自動車と比較して重量や体積の制約が少ない固定式グリッド規模貯蔵においては、リチウムに対するナトリウムのエネルギー密度の低さはそれほど大きな欠点ではありません。

ナトリウム電池の異なるタイプ

ナトリウム電池にはいくつかのバリエーションがありますが、最も一般的な3つはNFM、NCO、NFPPです。

**ナトリウム・ニッケル・鉄・マンガン（NFM）**は、リチウムコバルト酸化物（LCO）と最も頻繁に比較され、スクーターや電動自転車などのライト電気モビリティ用途に使用されます。携帯電話などの携帯型電子機器に使用されるLCO電池と同様に、NFM電池は安全上の危険を伴う可能性があり、発火する恐れがあります。大規模用途には適していないとされています。

**ナトリウムクロム酸化物（NCO）**は、リチウムニッケルマンガンコバルト（NMC）とよく比較されます。NCOは高いエネルギー密度を持ちますが、サイクル寿命は比較的短いです。これらの層状金属酸化物電池は熱暴走を起こし、燃焼時に酸素を発生する可能性がありますが、その確率はリチウム電池で観察されているものよりも大幅に低いです。

**ナトリウム鉄リン酸ピロリン酸（NFPP）**は、リチウム鉄リン酸塩（LFP）と一般的に比較されます。NFPP電池は、より優れたサイクル寿命と熱耐性を提供し、火災リスクはほぼゼロです。米国のメーカーであるAlsymは、NFPP+設計に不燃性電解液を組み込み、火災リスクをさらに排除しています。LFPと比較して、NFPP設計はエネルギー密度が低いですが、HVACインフラやBESSの追加構成要素が少なくて済みます。

ナトリウム電池はどこで製造・設置されているか？

他のほぼすべての電池製品と同様に、現在は中国が生産を支配しています。ナトリウム電池の製造は既存のLFP生産ラインに比較的容易に統合でき、中国の多くの確立されたリチウムブランドは、工場の遊休または余剰設備を転換してナトリウム電池の生産をすでに開始しています。

米国では、少数のナトリウムイオン研究開発プロジェクトが進行中です。この電池の豊富な化学的基盤と重要鉱物資源の不在は、米国がナトリウムイオンエネルギー貯蔵システムの製造を迅速に国内化できることを意味します。2022年のインフレ抑制法に基づく連邦政府のインセンティブには、国内生産の電池セルや重要鉱物調達に対する税制優遇が含まれており、輸入素材への依存を減らす非リチウム化学組成への投資をさらに促進しています。

ボストンを拠点とするAlsymはNFPPセル設計を開発しており、大規模エネルギー貯蔵開発企業のESSは最近、今後発表するナトリウムイオン電池でAlsymの技術を使用すると発表しました。

「私たちの最初の製品はNFPPで展開します。これは優れた技術だからです。ESSが設立以来追求してきた特性と同じで、火災リスクがなく安全です」と、ESSの最高商業責任者であるRandy Selesky氏は述べました。

UC San Diegoのスピンオフ企業であるUnigridはNCOセルを開発しており、メーカーのSyntropic Powerと提携を発表し、米国でナトリウムイオン電池を生産する予定です。この2社は住宅市場をターゲットにしています。住宅市場はリチウムの代替品を求める準備ができているからだと、Unigridの共同創設者兼CEOのDarren Tan氏は述べました。

「私たちはすでに家庭に貯水槽を持ち、食料備蓄もしています。今後20年以内に、エネルギー貯蔵が冷蔵庫と同じくらい手頃で、安全で、信頼できるものであれば、すべての家庭にエネルギー貯蔵システムがあるということは十分に考えられます」とTan氏は述べました。「これはナトリウムイオンにとってのチャンスです。」

Peak Energyは2027年にSacramentoで年間4 GWhの製造能力を持つ施設を開設する計画で、3.1 MWhのNFPPシステムを生産します。同社は現在輸入セルを使用していますが、経営陣はすでに他の構成要素の確保を進めていると、Peak Energyの主任科学者であるBrandon Kelly氏は述べました。

「ハードカーボン、つまり負極は、ほぼ何からでも作ることができます。現在はココナッツを使っています。桃の種や他のいろいろなものも試す予定です。サプライチェーンの会話が面白くなりますよ」とKelly氏は語りました。「しかし、石炭から作ることもできますし、石油の副産物からも作れます。これらは米国で私たちが得意とするものです。現在はまだ規模化されていませんが、リチウムと比較すれば、米国で行うのはかなり容易なことです。」

米国企業は、新しい電池技術に対する需要がなければ製造インフラを構築しないでしょう。現在の設置容量はまだ少ないものの、各社の代表はSolar Power Worldに対し、業界は大幅な成長の始まりにあると述べています。再生可能エネルギーの導入が拡大し、電力会社が間欠的な発電を均衡させるための長時間持続型ソリューションを求める中、より広範なグリッド規模のエネルギー貯蔵市場は拡大しています。

「昨年、3 GWh以上のナトリウム電池が生産されました」とKelly氏は述べました。「これは実験室レベルの技術だと感じている人はたくさんいますが、現実には、ギガワット時規模で大型フォーマットの性能をすでに達成している商業品質のセルなのです。実用段階に達しています。」