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「革新電池」の一角だったリチウム硫黄(Li-S)2次電池が早ければ2021年にも実用化される。低コストと高エネルギー密度を両立できる可能性が高い。一方、課題山積だったフッ化物(F)イオン2次電池でブレークスルーとなる新材料が見つかった。30年間電池の主役を張ってきたLiイオン2次電池(LIB)の後継候補が、続々と名乗りをあげている。

 エネルギー密度が現行のLiイオン2次電池(LIB)を大きく上回る次世代電池で量産が間近になってきた技術がある(図1)。リチウム硫黄(Li-S)2次電池、そしてフッ化物(F)イオン2次電池である。

図1 次世代電池ではLi-S2次電池が実用化に最も近い
図1 次世代電池ではLi-S2次電池が実用化に最も近い
現行のLiイオン2次電池(LIB)と次世代2次電池のパッケージでのエネルギー密度を比較した。年代は日経クロステックが推定する実用化時期。エネルギー密度上は現行LIBを大きく超える次世代電池が多数あるが、充放電サイクル寿命の短さが実用化を阻んでいる。Li-S2次電池は、ベンチャー企業が特定用途での実用化に積極的で、早ければ2021年にも量産が始まるとみられる。(図:取材を基に日経クロステックが作成)
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 エネルギー密度が高いだけではない。Li-S2次電池は、硫黄(S)という、ニッケル(Ni)やコバルト(Co)を用いる現行LIBの正極に比べて事実上タダに等しい正極活物質材料を使うため、大幅に低コストにできる(図2)。Sは石油精製の「脱硫」という工程で大量に出てくる副生成物で、処理に困っているのが現状。日本では10円/kg以下で流通している。安さと高エネルギー密度を両立するLi-S2次電池はポストLIBの代表格だ。

図2 正極材料に硫黄を使うLi-S2次電池は大幅なコスト削減が可能
図2 正極材料に硫黄を使うLi-S2次電池は大幅なコスト削減が可能
現行LIBの主流である高Ni系の全製造コストの内訳を示した。約66%を材料費が占めている。中でも割合が高いのはNiなど高価な金属材料を用いる正極である。一方、正極に硫黄や炭素といった安価な材料を使うLi-S2次電池は製造コストを大きく削減できると考えられる。(図:独Westfälische Wilhelms-Universitätの研究者が発表した論文1)を基に日経クロステックが作成)
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 現行LIBは最初の登場からほぼ30年とちょうど1世代分、電池として主役の座に君臨した。Li-S2次電池は、これを引き継ぎ、その全固体版も含めれば、2050年までの向こう30年間の電池技術の主軸になる可能性がある。

Li-S電池はまもなく製品化
サイクル寿命の課題は未解決

 Li-S2次電池の製品は早ければ2021年にも登場する。一番乗りのメーカーはLi-S2次電池に特化した英国のベンチャー企業、OXIS Energyになる見通しだ(図3)。

図3 重量エネルギー密度400Wh/kgを超えるセルの製品化が迫る
図3 重量エネルギー密度400Wh/kgを超えるセルの製品化が迫る
国内外の企業や大学が開発したLi-S2次電池のセルやモジュール。OXIS Energyは2020年1月に容量20Ah、重量エネルギー密度471Wh/kgのセルを発表した(a、b)。LG Chemは韓国の電池関連の展示会「InterBattery 2020」で同410Wh/kgのセルを披露(c)。日本では、GSアライアンスや各大学がLi-S2次電池のセルを試作した(d~f)。(写真:(a、b)はOXIS Energy、(c)はLG Chem、(d)は日経クロステック、(e、f)は各大学)
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 定格電圧2.1V、電流容量15Ahと19Ahのセルをサンプル出荷中である注1)。カタログ上は10~35Ahのセルもある。セルの重量エネルギー密度は2020年1月時点で471Wh/kgで、500Wh/kgの実現を視野に入れる。現在は「まだ手作業での生産のためサンプル価格は高い」(同社)が、量産は間近だ。年間500万セル、計220MWh以上の生産能力を持つ製造プラントを2023年の稼働を目指してブラジルに建設中。加えて、英国のウェールズ地方で電解液と負極の製造プラントを建設している。

注1)同社が2019年4月に公開した製品データにサンプル出荷中と書かれているため、この頃からサンプル出荷を開始したとみられる。

 日本市場への拡販も検討中である。同社は2019年11月、三洋貿易とLi-S2次電池の販売に関する業務提携を結んだ。