メモ LIB資源問題に関する考察

リチウムイオン電池を電池気動車（EV)に搭載することを考えます。正極活物質として三元系活物質（LNMC811）を使う場合、その実効容量は活物質当たり200 Ah/kgとなり、EVに搭載する電池を80 kWhとすると、電圧3.6 Vより活物質の多さは80000/(200×3.6)=111 kgとなります。分子式LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2から80 kWhの電池を持つEVに使用されるそれぞれの元素は効率100％で計算するとNiが53.6 kg、Mn 5.21 kg、Co 6.77 kgとなります（下表）。これとそれぞれの元素の産出量から生産可能なEVの台数が計算できます。結果はNiが6,343万台、Mn29,951万台、Coが3,501万台分となり、LNMC811を使った電池は産出するCoのすべてを使ったとしても世界の4輪生産量9350万台(2023年）の1/3でまったく足りません。これではリサイクルもほとんど効果がなさそうです。電池はEV以外にもスマートフォンや電力貯蔵など様々な用途に使われるので、効率的で豊かな未来を実現するためにはNiやCoを使わない別の代替案を考える必要があります。

　それでは、どのような代替案があるのでしょうか。二次電池の活物質といえばFeやMnを主成分とするものもあり、これらは資源的には問題なさそうです。Mnを使ったものにはリチウムリッチ系や５V系などの次世代電池の候補とされるものもありますが、これらは提案から20年近くたっても実用化されておらず、課題が残っているのではないかと考えられます。一方、Feを使った活物質（LFP)はLNMCと同程度の容量で材料コストも大幅に低いですが電圧が低く、エネルギー密度は70％程度となります。LNMCとLFPのエネルギー密度をそれぞれ210Wh/kg、および140Wh/kgとすると、80kWhのEVでは電池の重さはそれぞれ380kgと571kgとなります。EVでは電池も含めた車体の重量が重くなると走行のためのエネルギーが大きくなるだけでなく、大型のモーターや強力なブレーキシステム、頑丈なフレームが必要となって効率が大幅に低下するため、LFPを使う場合には電池を小さくして走行距離を犠牲にすることが多いようです。

ここからは私たちの提案になります。ORLIBはSiの加圧電解プレドープ技術を持っています。この技術は黒鉛の10倍を超える高容量のSiをプレドープすることによって不可逆容量のない安定な活物質に変換します。そして、このプレドープSiはLiイオン電池の様々な正極と組み合わせて、黒鉛を使った場合に比べてエネルギーを1.5倍以上に増加させることができます。この技術をLFPに適用すると、エネルギー密度は140×1.5＝210 Wh/kg以上となって、LNMCと同程度となります。資源的に問題ないため、材料コスト小さく長寿命で安全性にも優れた上に、LNMCと同等のエネルギー密度が可能となります。この電池の特性は実験室で試作した電池ではありますが、きち

んとした動作が確認できています。

　現在、様々な電池の開発が進められていますが、LFP/Si電池は主な要素技術の開発が終了しており今後10年程度の期間は世界を席巻する可能性が高いと考えています。ORLIBはいくつかの特許（費用面で多くは出せない）を出願し、中心になって進めてゆくつもりです。一緒に進めていただける方は是非ご連絡ください。