なぜ中国がリチウムイオン電池生産を独占できるのか

リチウムイオンは理想的なバッテリーですか?

長年にわたり、無線通信からモバイル コンピューティングまでのポータブル機器に適したバッテリーはニッケル カドミウムのみでした。ニッケル水素とリチウムイオンは 1990 年代初頭に登場し、顧客の受け入れを得るために激しく戦っていました。現在、リチウムイオンは最も急速に成長しており、最も有望な電池化学物質です。

世界はますます電化が進んでいます。発展途上国では、国民が利用できる電力が増加しているだけでなく、既存の交通インフラの電化も急速に進んでいます。 2040 年までに、道路を走る車の半数以上が電気で動くようになると予測されています。

電池の簡単な歴史

電池は長い間私たちの日常生活の一部でした。世界初の本格的な電池は、1800 年にイタリアの物理学者アレッサンドロ ボルタによって発明されました。この発明は驚くべき進歩を表しましたが、それ以来、重要な革新はほんの一握りしかありませんでした。

最初のものは 1859 年に発明された鉛蓄電池でした。これは最初の充電式電池であり、今日でも内燃エンジンの始動に使用される最も一般的な電池です。

過去 2 世紀の間に革新的なバッテリー設計がいくつかありましたが、真の変革をもたらすものが発明されたのは 1980 年になってからでした。オックスフォード大学とスタンフォード大学での画期的な発見が、リチウムイオン電池の開発につながったときです。ソニーは 1991 年に最初のリチウムイオン電池を商品化しました。

リチウムの何がそんなに特別なのでしょうか?

リチウムは多くの点で特別な金属です。軽くて柔らかい、包丁で切れるほど柔らかく、密度が低いので水に浮くほどです。また、幅広い温度で固体であり、すべての金属の中で融点が最も低く、沸点が高い金属の 1 つです。

同じアルカリ金属であるナトリウムと同様に、リチウムは水と派手な形で反応します。 Li と H2O を組み合わせると水酸化リチウムと水素が形成され、通常は赤い炎が爆発します。

多くの側面があります リチウムイオン電池 安全な電池構造、安全な原材料、保護機能、安全認証など、設計プロセス全体を通じて安全性を確保しています。 China Electronics Newsのインタビューに応じた副チーフエンジニアのSu Jinran氏は、製品の安全性は製品設計から始まるため、適切な電極材料、セパレーター、電解質を選択することが安全な電池設計の最優先事項であると述べた。電池の負極材料としては、電池設計に広く使用され満足のいく性能をもたらしてきた三元系材料であるマンガンリチウムとリン酸鉄リチウムが、従来のコバルト酸リチウムやニッケルリチウムよりも安全です。

リチウムイオン電池が人気があるのは、競合技術に比べて次のような重要な利点があるためです。

● 一般に、同じサイズの他の種類の充電式電池に比べて非常に軽いです。リチウムイオン電池の電極は軽量なリチウムとカーボンでできています。リチウムは反応性の高い元素でもあり、その原子結合に多くのエネルギーを蓄えることができます。これは、リチウムイオン電池にとって非常に高いエネルギー密度を意味します。ここでは、エネルギー密度を把握する方法を示します。一般的なリチウムイオン電池は、1 kg の電池に 150 ワット時の電力を蓄えることができます。 NiMH (ニッケル水素) バッテリー パックは、1 キログラムあたりおそらく 100 ワット時を蓄えることができますが、60 ～ 70 ワット時がより一般的です。鉛蓄電池は 1 キログラムあたり 25 ワット時しか蓄えられません。鉛蓄電池技術を使用すると、1 キログラムのリチウムイオン電池が処理できるのと同じ量のエネルギーを蓄えるには 6 キログラムが必要になります。それは大きな違いです[出典: Everything2.com ]。

● 彼らは責任を持ち続けます。リチウムイオン電池パックは、1 か月あたりの充電量の損失がわずか約 5% であるのに対し、NiMH バッテリでは 1 か月あたり 20% の損失が発生します。

● メモリー効果がないため、他のバッテリーの化学反応のように、再充電する前に完全に放電する必要がありません。

●リチウムイオン電池は数百回の充放電サイクルに対応できます。

●だからと言って、リチウムイオン電池に欠陥がないわけではありません。いくつかの欠点もあります。

● 工場出荷後すぐに劣化が始まります。使用するかどうかに関係なく、製造日から 2 ～ 3 年しか持続しません。

●高温に非常に敏感です。熱により、リチウムイオン電池パックは通常よりもはるかに早く劣化します。

● リチウムイオン電池は完全に放電してしまうと駄目になります。

● リチウムイオン電池パックには、電池を管理するためのオンボードコンピュータが必要です。そのため、現在よりもさらに高価になります。

● リチウムイオン電池パックは故障した場合、まれに発火する可能性があります。

イノベーションに基づいた標準設定

リチウムイオン電池の安全メカニズムは複雑であり、特に電池を再利用した後の安全性への影響のため、リチウムイオン電池の安全性を理解し、その基準を設定するプロセスは段階的かつ進歩的である必要があります。また、外部制御技術の開発と適用も考慮する必要があります。 Su は設定としてそれを提案しました リチウムイオン電池 安全基準は高度な技術的な仕事であり、電池標準化団体の基準設定専門家と電池業界、ユーザー、電子制御分野の技術専門家の両方が実験検証作業を含むプロセスに参加する必要があります。

中国電子標準化研究所のシニアエンジニア、Sun Chuanhao氏は、現在、リチウムイオン電池はエネルギータイプと電力タイプに分類できると述べた。これら 2 つの製品は材料や設計構造が異なるため、同じ安全条件下であっても試験方法や要件は異なります。いわゆるポータブルバッテリーは、携帯電話、ラップトップ、デジタルカメラ、ビデオカメラに使用されるリチウムイオン電池などのエネルギータイプに属し、パワータイプのバッテリーは電動工具、電動自転車、電気自動車に使用されます。

研究機関ブルームバーグNEFによると、リチウムイオン電池パックの体積加重平均価格（セルとパックを含む）は2010年から2018年にかけて85％下落し、平均176ドル/kWhに達した。ブルームバーグNEFはさらに、価格が2024年までに94ドル/kWh、2030年までに62ドル/kWhに低下すると予測している。

このコスト低下曲線は、サービスでバッテリーを利用する企業、またはエネルギーを貯蔵する必要がある企業 (発電事業者など) にとって重要な意味を持ちます。これまでのところ、リチウムイオン電池の売上のほとんどは家電分野であったが、将来の売上はますます電気自動車によって牽引されることになる。

現在道路を走っているほとんどの自動車は依然として鉛蓄電池と内燃エンジンを使用しています。しかし、リチウムイオン電池を搭載した電気自動車の売り上げは、過去5年間で10倍以上に増加した。さらに、将来的には電気自動車が個人交通の主流になると予想され、内燃機関を利用した自動車の将来的な禁止を設定する国が増えています。

これは、当然のことながら、将来のバッテリー需要がはるかに増加することを意味します。電気自動車メーカーのテスラはパナソニックと提携して、新しいリチウムイオン電池工場の建設に数十億ドルを投資しているほどだ。それにもかかわらず、米国のリチウムイオン電池メーカーは市場シェアで後れを取っている。

リチウムイオン電池の関連成長市場は、リフトトラック、掃除機やスクラバーなどの重工業用途、空港の地上支援用途、無人搬送車（AGV）などです。これらのニッチな用途には、歴史的に鉛蓄電池や内燃エンジンが使用されてきましたが、経済性は急速にリチウムイオン電池に移行しました。

運転席の中国

ブルームバーグNEFの分析によると、2019年初めの世界のリチウム電池製造能力は316ギガワット時（GWh）でした。中国がこの生産能力の73％を占め、次いで米国が世界の生産能力の12％で2位を大きく引き離している。

世界の容量​​は 2025 年までに大幅に増加すると予測されており、ブルームバーグNEF は世界の容量​​が 1,211 GWh になると予測しています。米国の生産能力は増加すると予測されていますが、世界の生産能力よりも遅いです。したがって、世界のリチウム電池製造における米国のシェアは縮小すると予測されている。

テスラは自社のバッテリー工場を建設することでこの問題に対処しようとしているが、カリフォルニアに本拠を置くワンチャージなど、この種のバッテリーを幅広く供給する企業にとって、地元のサプライヤーを見つけるのは困難であることがわかっている。私は最近、OneCharge CEO の Alex Pisarev 氏と話をしました。彼は、彼の会社が直面している課題を次のように強調しました。

「米国のメーカーは米国製のリチウムイオン電池を喜んで使用するでしょう」とピサレフ氏は私に語った。「しかし、これは今日では現実的ではありません。したがって、中国からの輸入を続けなければなりません。」

中国は太陽光パネルに関して以前と同じ道をたどっている。太陽電池はアメリカ人技術者のラッセル・オールによって発明されましたが、現在では中国が世界の太陽電池パネル市場を独占しています。現在、中国は世界のリチウムイオン電池生産のコントロールに注力している。

たとえそれが製造を他国に委ねることを意味するとしても、可能な限り安価な環境に優しい技術を持つことが望ましいでしょうか?太陽光パネルの価格の低下は、新規太陽光発電の爆発的な成長を促進し、それがひいては米国の多くの雇用を支えてきました。しかし、それらのパネルの大部分は中国製です。トランプ政権は輸入太陽光パネルに関税を課すことでこの問題に対処しようとしているが、この関税には米国の太陽光発電産業の大半が激しく反対している。

中国には安い労働力という大きな利点があり、それが多くの製造業を支配することを可能にしてきた。しかし、中国には米国よりも多くのリチウム埋蔵量とリチウム生産量があり、2018年の中国のリチウム生産量は8,000トンで、全国の中で3位、米国のリチウム生産量の10倍近くとなっている。 2018年の中国のリチウム埋蔵量は100万トンで、米国レベルのほぼ30倍だった。

前進する道

この傾向は、輸送および重機分野でリチウムイオン電池が鉛酸電池に取って代わる可能性が高まることを示しています。これは、記録的な二酸化炭素排出量に直面している世界において重要な進展です。

しかし、製造コストと原材料の入手可能性の両方でこれほど有利な米国は、世界市場で中国と競争できるのだろうか？そうでない場合、耐用年数に達するリチウムイオン電池の数が増加する中、米国はリサイクルリチウムの競争力のある市場を開拓できるでしょうか?

これらは対処する必要がある重要な質問です。

中国がこうした課題にどのように対処するかは不明だが、リチウムの執拗な追求と同金属の戦略的重要性を考慮すれば、解決策は間違いなく見つかるだろう。中国がグリーン輸送を受け入れることは、多くの意味で良いことである。なぜなら、この分野への関心が拡大し、リチウム供給と充電式電池市場のシェアに関して競合国が追いつこうとするよう促すからである。危険なのは、中国が後れを取り続け、間もなく主流の輸送部門となる可能性のある部門を中国が独占することになることだ。

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