この10年の大半において、ペロブスカイトは太陽光パネルの未来として宣伝されてきたが、商業化は遅れており、試験ラインの導入に踏み切るメーカーはごくわずかだ。一方、エネルギー貯蔵分野では別の技術が正反対の方向に動いている。ナトリウムイオン方式がリチウムイオン電池の代替として提案されるやいなや、メーカーは生産体制の構築と受注の確保に動き出したのである。

「楽しいですね」と語るのは、ESS Inc.のチーフコマーシャルオフィサー、ランディ・セレスキー(Randy Selesky)氏だ。「私はこの市場に長く携わってきましたが、市場がこれほど速く何かに飛びつくのを見たことがありません」

かつてはオフグリッド生活用の鉛蓄電池が典型だったこの市場だが、今日のグローバルエネルギー貯蔵産業は、揚水発電を除けばリチウムが支配しており、電力会社が昼間の太陽光・風力発電電力を夜間のピーク時間帯へ移すために蓄電池を導入する中で急速に拡大している。リチウム系の中では、リン酸鉄リチウム(LFP)がグリッド規模および住宅用途で最も多く導入されている化学系となっており、2023年の世界の新規蓄電池の80%を占めた。この化学系は1990年代にテキサス大学オースティン校で初めて開発され、その後中国で製造が拡大した。リチウムイオン電池は業界の拡大を支えてきた一方で、いくつかの特性は依然として制約となっている。

LFP電池は従来のリチウム系化学よりもはるかに安全で熱暴走への感受性も低いものの、その火災リスクを許容できない用途も依然として存在する。また、リチウムイオン電池は狭い温度範囲で最良の性能を発揮するため、チラーやファンを稼働させるのに必要な補助電力が、地域によってはプロジェクトを不経済にしかねない。さらに、リチウムのサプライチェーンは中国が支配しており、完全に国内完結したエネルギー貯蔵サプライチェーンの構築は困難である。

ナトリウムイオン電池は新しい発明ではない。この化学系は1980年代にさかのぼって研究機関で検討されていたが、リチウムイオン電池の商業的成功により脇に追いやられ、世界最大の電池メーカーであるCATLが2021年に初世代のナトリウムイオンセルを発表するまで、ほぼ休眠状態にあった。その後、ナトリウムイオン電池パックは、自動車メーカーJACの車種を含む、中国で販売される小型市街電気自動車において量産段階に達している。

ナトリウムイオンは代替策を提供する。ナトリウムは無毒の元素で、地殻に最も豊富に存在する元素の一つであり、一般的な食塩の主要成分でもある。ナトリウム電池は、リチウムイオン電池と同様の方法で、同じサイズのセル、モジュール、最終システムを使って製造できる。また、-40°Fから140°Fまでの広い温度範囲で出力低下なしに動作するため、空調(HVAC)システムが不要になる。さらに、重要鉱物に依存しないため、ナトリウム電池の製造は理論上、米国、欧州、オーストラリアなどどこにでも立地できる。

今年初め、モルガン・スタンレー・リサーチは、ナトリウムイオン電池が2027年には導入ベースで2%の市場シェアを握り、2030年には20%、2035年には37%に上昇すると推計した。次の10年間の市場をリードするのは、クロム酸化ナトリウム(NCO)とピロリン酸鉄ナトリウム(NFPP)の2つの化学系とみられる。ナトリウム電池開発企業Unigridの共同創業者兼CEOであるダレン・タン(Darren Tan)氏によれば、NCOはより高いエネルギー密度を持ち、NFPPは製造コストがより低いが、いずれもリチウムの代替となりうるという。ナトリウムイオンセルは一般に、重量あたりの蓄電エネルギーがリチウム系化学より少なく、この制約は電気自動車で最も問題になり、体積や重量の不利が少ない定置型貯蔵では最も問題になりにくい。これが、グリッド規模システムが同技術の最初の主要ターゲットである理由の一つだ。

「新技術は常に、新しい市場や新しい応用を切り開くものです」とタン氏は言う。「すでにLFPを使用しているお客様に出会ったとき、私たちは『素晴らしい仕事をしており、そのまま続けるべきだ』と伝えます。ただし、十分な出力や安全性が得られない、寿命が十分長くない、極寒や酷暑での運用が必要だ、といった課題がある場合は別です。そうした問題を解決するために私たちが介入するのです」

ナトリウムイオン市場が形を成す

ナトリウムイオン技術の可能性は、エネルギー貯蔵市場全体から企業を引きつけている。フロー電池のパイオニアであるESSも関心を示しており、来年、初のグリッド規模ナトリウム設計を発表する予定だ。セレスキー氏は、ナトリウムへの参入は長時間フロー電池からの離脱ではなく、同社のリチウム代替ラインナップへの追加だと述べた。

「リチウムは依然として市場の95%、つまり2~8時間のレンジを占めています。これは、リチウムイオンの従来のユースケースと真正面から競合できる、私たちが見た初めての製品です」と同氏は言う。「これは、設置、統合、継続的なメンテナンス支援という14年の経験を活かして、市場の95%を狙う好機だと捉えました」

セレスキー氏は、長時間エネルギー貯蔵が必要とされる機会が依然多く残されているため、ESSは研究開発(R&D)を16~48時間放電のフロー電池へ移行させると述べた。

「これはアイアンフローをリセットする絶好の機会だと考えています」と同氏は言う。「長時間貯蔵の分野では市場そのものを創造しており、その市場はまだ創造の途上です。(ナトリウムとの取り組みは)勢いに乗って、本格的に製品を世に送り出す機会を与えてくれます」

ESSは、自社の1.2MWhのACエネルギー貯蔵システムに、スタートアップ企業AlsymのNFPPセルを使用する。ボストンを拠点とするナトリウムイオンセル開発企業であるAlsymは米東海岸で少量の製品を製造しており、ESSはオレゴン州の自社工場でそれらのセルを「Bridge」エネルギー貯蔵システムとして組み立てる。

「(NFPPは)ESSが設立以来貫いてきた特性と同じです。火災のリスクがなく、安全です」とセレスキー氏は言う。「最初の製品投入は2027年で、その後2028年後半に密度を高めた第2弾を投入します。この技術はそれほど速く動いています。3年後に世に出る研究開発中のものが、すでに見えていますから」

開発のペースは速く、2023年に設立されたPeak Energyはすでに数ギガワット時規模の製造体制を構築している。同社は2027年年央までに、サクラメントで製造するGS1貯蔵システムの引き渡しを開始する計画が順調に進んでいる。

Peak Energyのチーフサイエンティスト、ブランドン・ケリー(Brandon Kelly)氏は、同社の急成長は当初の計画どおりだったと述べた。

「Peakのアプローチは、迅速に製品化することです。10年間ラボで開発してから製品を投入し、市場を探し回るようなことはしません」と同氏は言う。「強い市場需要があり、この基礎化学によって、その需要に応えるはるかに優れた製品を作れます。製品そのものから、サプライチェーン、そして米国でのエネルギー安全保障に至るまでです」

GS1は3.1MWhのNFPPシステムで、ケリー氏はこれを「グリッド規模の貯蔵に最適」と評した。Peak Energyの主なセールスポイントはナトリウム電池の受動冷却であり、設計からチラーとファンを排除できることだ。

「(チラーを使うと)可動部品があり、冷媒、クーラント、フィルター、ファン、そして大量の騒音があります。それができるのは素晴らしいことですし、多くのことを可能にしているのは喜ばしいことです。しかしそれらは、リチウムで応用の要件を満たすために必要とされる工学的な回避策なのです」と同氏は言う。「このバージョンのナトリウムイオンはより高い耐熱性を持つため、温度が上がってもそのまま寿命を達成できます。受動冷却のシステムでも、20年後にまだ健全度は85%を維持しています。リチウムイオンは液冷を使っても65%程度です。しかもナトリウムには可動部品がなく、メンテナンス量は大幅に減ります。化学レベルで可能になった美しいシンプルさです」

住宅用市場にも活躍の余地

エネルギー貯蔵市場の関心の多くはグリッド規模システムに向けられているが、住宅用市場もナトリウム方式の恩恵を受けられる。

カリフォルニア大学サンディエゴ校発のナトリウムイオンセル研究開発企業Unigridは、2020年代初頭からこの技術を開発してきた。同社は最近、メーカーSyntropic Powerとのパートナーシップを発表し、米国でNCO電池を製造する。

「すべての条件を満たしています。優れたサイクル寿命、優れた安全性、優れた出力、優れたコストです」とタン氏はNCO化学について述べた。「唯一の欠点は、中国では入手できないことです。そのため市場からそのまま買うことはできません。私たちはファウンドリ(受託製造事業者)と協力してこの新しい生産プロセスを開発しています。入手できないということは、供給するのが私たちだけになるということであり、それが当社の主要な強みの一つです」

ナトリウムイオン電池の製造はリチウムイオン電池の生産と非常に似ているため、BYD、CATL、Hithiumといった主要リチウム企業の多くは、既存のリチウム生産ラインをナトリウム方式向けに迅速に転換している。しかしそれは同時に、NFPP化学が好まれやすいグリッド規模ナトリウム電池の量産化に注力していることも意味する。NCO化学に注力するUnigridは、競合が少ない住宅用貯蔵市場を狙っているとタン氏は述べた。

「中国には住宅用市場というものが存在しないため、中国の主要企業はこの領域を支配していません。住宅用電池が歴史的に手の届かない価格だったのも同じ理由です」と同氏は言う。「公益事業規模の電池は1ドル何セントかを争う競争をしている一方で、(住宅用電池)は依然として10,000ドル以上です。私たちは、これこそ参入して現状を変える好機だと気づきました。ナトリウムイオンはリセットなのです」

Unigridは住宅用電池のプロトタイプ「9.25kWhのNa+Casa」を開発した。これは外部冷却装置なしで極端な温度環境において動作でき、100%放電深度で10,000回以上のサイクル寿命を持つ。9.25kWhという容量定格は、ナトリウムイオンの開発にまだ追いついていない全米防火協会(National Fire Protection Association)の現行の防火基準によって決められた。ナトリウム電池は依然として鉛、リチウム、フローではなく「その他」カテゴリーに分類され、10kWhに制限されている。

単体あたり9.25kWhという容量は、現在住宅用市場で入手可能な15kWhのリチウムモデルより低い可能性があるが、ナトリウム電池には他の利点があり、引き続き検討に値するとタン氏は述べた。

「リチウムイオンではコストの大部分がリチウムとその重要材料ですが、ナトリウムイオンはまさに正反対です」とタン氏は言う。「ナトリウムイオンの原材料は極めて低コストで、(コストの)大部分は製造にあります。つまり、ナトリウムイオンのコストが下がる可能性ははるかに大きいのです。今日ではまだリチウムイオンより高いものの、今後5~10年で非常に急速に下がると予想しています」

ナトリウム電池企業はすでに有言実行しているかもしれないが、ほどなくしてエネルギー貯蔵市場を席巻する日が来るかもしれない。