【コラム】さらなる電化の普及にはまったく新しいバッテリー技術へのアプローチが必要だ

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世界経済の広範な電化への移行により、輸送、家電、医療機器、家庭用エネルギー貯蔵などの業界にわたって、長寿命で高速充電のバッテリーに対する需要が高まっている。この移行のメリットは十分理解されているものの、実際には、バッテリーのイノベーションは社会の大望に追いついていない。

世界の気温が今後5年間で「パリ協定で示された1.5℃の制限を超えて上昇する」可能性は40%と予測する報告もあり、完全に商業化するまでにさらに10年かかることも考えられる次世代バッテリーの開発には、無駄な時間を費やす余裕がほとんどないことは明らかである。

電力供給への圧力の高まりに対応する上で、充電式バッテリーを迅速に拡張して温室効果ガスの排出を世界的に抑制し、気候危機の最悪のシナリオを回避する唯一の方法は、バッテリー構築に対するまったく新しいアプローチである。

過去数十年にわたり、バッテリーの専門家、自動車メーカー、Tier 1サプライヤー、投資家などが、主にバッテリー化学に焦点を当てた次世代バッテリーの開発に世界中で数十億ドル（約数千億円）を費やしてきた。しかし、業界は依然として、バッテリーの普及を妨げている2つの大きな技術的課題に取り組んでいる。

バッテリーの研究者たちは、高エネルギー密度と安全性の向上を実現する能力を持つ固体バッテリーを、バッテリー技術の究極の目標としてきた。しかし最近まで、この技術は実用性に欠けていた。

固体バッテリーは非常に高いエネルギー密度を有し、可燃性の液体電解質を使用しないため、潜在的により高い安全性が見込まれる。しかし、この技術はまだ初期段階にあり、実用化までの道のりは長い。固体バッテリーの製造プロセスは、特に今後数年間に50ドル（約5500円）/kWhという積極的な低コスト化の実現を目指す自動車業界にとって、コスト低減に向けて改善される必要がある。

固体状態技術の具現化における別の実質的な課題は、単位体積当たりのカソードに蓄積され得る総エネルギー密度の限界である。このジレンマに対する明白な解決策は、より厚いカソードを備えたバッテリーを得ることであろう。しかし、カソードが厚くなると、バッテリーの機械的および熱的安定性が低下する。この不安定性は、層間剥離（材料が層に破壊される破壊モード）、亀裂、および分離を引き起こし、これらすべてが早期のバッテリー故障の原因となる。さらに、カソードを厚くすると拡散が制限され、電力が減少する。その結果、カソードの厚さには実用的な限界があり、アノードの電力を制限している。

ほとんどの場合、シリコンベースのバッテリーを開発している企業は、グラファイト（黒鉛）にシリコンを30％まで混ぜてエネルギー密度を高めている。Sila Nanotechnologies製のバッテリーは、シリコン混合物を使用して高エネルギー密度を実現している。別のアプローチは、Ampriusの製品のように、非常に薄い電極と高い製造コストという制約を受ける100％純粋シリコンのアノードを使用して、さらに高いエネルギー密度を生成することである。

シリコンはかなり大きなエネルギー密度を提供するが、これまでその採用を妨げてきた重大な欠点が存在する。この材料は、充放電時の収縮と膨張に起因するバッテリー寿命と性能の制限をともない、製造業者が商業的に採用する前に解決しなければならない劣化の問題につながっている。こうした課題にもかかわらず、一部のシリコンベースのバッテリーはすでに商業的に導入されており、自動車分野ではテスラがEVへのシリコン採用をリードしている。

バッテリーアーキテクチャとセル設計の進歩は、既存および新興のバッテリー化学による画期的な改善の可能性を大いに示している。

メインストリームの観点から最も注目すべきは、おそらくTeslaが2020年のバッテリーデーに発表した「ビスケット缶（円筒形）」バッテリーセルだろう。リチウムイオン化学を引き続き採用しているが、アノードおよびカソードとバッテリーケーシングの間の正極と負極の接続点として機能するタブを外し、代わりにセル上端すべてを電極にする設計を施している。この設計変更により、航続距離を向上させながら製造コストを削減し、DC電力で高速充電する際にセルが遭遇する可能性のある熱障壁の多くを取り除くことが可能になる。

従来の2D電極構造から3D構造への移行は、業界で注目を集めているもう1つのアプローチである。3D構造により、あらゆるバッテリー化学において、アノードとカソードの両方で高エネルギーおよび高出力性能が得られる。

3D電極はまだ研究開発と検証の段階にあるものの、市場競争力のある価格で高性能製品を製造することにより、2倍のアクセス可能容量、50％の充電時間短縮、150％の長寿命化を実現する。したがって、広範な用途のためのエネルギー貯蔵の可能性を最大限に引き出すべくバッテリー性能を向上させるためには、バッテリーの物理的構造を変更することに力点を置いた解決策を開発することが重要である。

性能の向上だけでなく、生産性とコスト削減も完璧に実現することが、バッテリー競争における優位性につながる。2027年までに2797億ドル（約30兆円）に達すると予測されている、急速に拡大するバッテリー市場で大きなシェアを獲得するには、世界各国が低コストのバッテリー製造を大規模に展開する方法を見つけていく必要がある。既存の組み立てラインや材料に組み込むことができる「ドロップイン」ソリューションと革新的な生産方法の優先順位づけが鍵となる。

バイデン政権による米国の雇用計画は、野心的な炭素削減目標を達成しつつ、電化のリーダーになるという米国の目標にとって、国内のバッテリー生産の重要性を強調している。こうした取り組みは、バッテリー市場で重要な競争力を維持し、1620億ドル（約18兆円）規模の世界EV市場で最大のシェアを獲得する能力を確立する上で重要な役割を果たすだろう。

突き詰めて言えば、完全な電化に向けた競争で勝利する技術は、性能に最大の影響度を有し、低コストで、既存の製造インフラとの互換性を備えたものとなる。総合的なアプローチを採用し、最先端の化学を微調整しながら、革新的なセル設計にさらに注力することで、世界が切望しているバッテリー性能と迅速な商業化における次のステップに到達することができるであろう。

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画像クレジット：PlargueDoctor / Getty Images

【原文】

The global economy’s transition to widespread electrification has increased the demand for longer-lasting and faster-charging batteries across industries including transportation, consumer electronics, medical devices and residential energy storage. While the benefits of this transition are well understood, the reality is that battery innovation hasn’t kept pace with society’s ambitions.

With reports forecasting a 40% chance that the world’s temperature will rise over the next five years beyond the limit of 1.5 degrees Celsius laid out in the Paris climate agreement, it is clear that there’s little time to waste when it comes to creating next-generation batteries, which can easily take another 10 years to fully commercialize.

To meet the increasing pressures to electrify, a completely novel approach to building batteries is the only way to scale rechargeable batteries quickly enough to curb greenhouse-gas emissions globally and avoid the worst-case scenario for the climate crisis.

The challenges to battery innovation

Over the last few decades, battery experts, automakers, Tier 1 suppliers, investors and others looking to electrify have spent billions of dollars globally on creating next-generation batteries by focusing predominantly on battery chemistry. Yet the industry is still grappling with two major fundamental technical challenges that are stunting the proliferation of batteries:

Ultimately, the winning technologies in the race toward total electrification will be the ones that have the most significant impact on performance, lowered costs and compatibility with existing manufacturing infrastructure.

Are solid-state batteries the holy grail?

Battery researchers have championed the solid-state battery as the holy grail of battery technology due to its ability to achieve high energy density and increased safety. However, until recently, the technology has fallen short in practice.

Solid-state batteries have significantly higher energy density and are potentially safer because they do not use flammable liquid electrolytes. However, the technology is still nascent and has a long way to go to achieve commercialization. The manufacturing process for solid-state batteries has to be improved to lower costs, especially for an automotive industry that aims to achieve aggressive cost reductions as low as $50/kWh in the coming years.

The other substantial challenge to implementing solid-state technology is the limitation of total energy density that can be stored in the cathodes per unit of volume. The obvious solution to this dilemma would be to have batteries with thicker cathodes. However, a thicker cathode would reduce the mechanical and thermal stability of the battery. That instability leads to delamination (a mode of failure where a material fractures into layers), cracks and separation — all of which cause premature battery failure. In addition, thicker cathodes limit diffusion and decrease power. The result is that there is a practical limit to the thickness of cathodes, which restricts the power of anodes.

New takes on materials with silicon

In most cases, companies that are developing silicon-based batteries are mixing up to 30% silicon with graphite to boost energy density. The batteries made by Sila Nanotechnologies are an illustrative example of using a silicon mix to increase energy density. Another approach is to use 100% pure silicon anodes, which are limited by very thin electrodes and high production costs, to generate even higher energy density, like Amprius’ approach.

While silicon provides considerably greater energy density, there is a significant drawback that has limited its adoption until now: The material undergoes volume expansion and shrinkage while charging and discharging, limiting battery life and performance. This leads to degradation issues that manufacturers need to solve before commercial adoption. Despite those challenges, some silicon-based batteries are already being deployed commercially, including in the automotive sector, where Tesla leads in silicon adoption for EVs.

The imperative for electrification requires a new focus on battery design

Advances to battery architecture and cell design show significant promise for unlocking improvements with existing and emerging battery chemistries.

Probably the most notable from a mainstream perspective is Tesla’s “biscuit tin” battery cell that the company unveiled at its 2020 Battery Day. It’s still using lithium-ion chemistry, but the company removed the tabs in the cell that act as the positive and negative connection points between the anode and cathode and the battery casing, and instead use a shingled design within the cell. This change in design helps reduce manufacturing costs while boosting driving range and removes many of the thermal barriers that a cell can encounter when fast-charging with DC electricity.

Transitioning away from a traditional 2D electrode structure to a 3D structure is another approach that is gaining traction in the industry. The 3D structure yields high energy and high power performance in both the anode and cathode for every battery chemistry.

Although still in the R&D and testing phases, 3D electrodes have achieved two times higher accessible capacity, 50% less charging time and 150% longer lifetime for high-performance products at market-competitive prices. Therefore, in order to advance battery capabilities to unlock the full potential of energy storage for a range of applications, it is critical to develop solutions that emphasize altering the physical structure of batteries.

Winning the battery race

It’s not just performance improvements that will win the battery race, but perfecting production and cost reduction as well. To capture a considerable share of the ballooning battery market that is projected to reach $279.7 billion by 2027, countries around the world must find ways to achieve low-cost battery manufacturing at scale. Prioritizing “drop-in” solutions and innovative production methods that can be incorporated with existing assembly lines and materials will be key.

The Biden administration’s American Jobs Plan highlights the importance of domestic battery production to the country’s goal of being a leader in electrification while meeting ambitious carbon reduction targets. Commitments like these will play a key role in establishing who can maintain a critical competitive edge in the battery space and take the largest share of the $162 billion global EV market.

Ultimately, the winning technologies in the race toward total electrification will be the ones that have the most significant impact on performance, lowered costs and compatibility with existing manufacturing infrastructure. By taking a holistic approach and focusing more on innovating cell design while also fine-tuning leading chemistries, we can achieve the next steps in battery performance and rapid commercialization that the world desperately needs.

（文：Moshiel Biton、翻訳：Dragonfly）

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