バッテリーのコバルト-代替および交換

リチウムイオン電池は、その高出力と小型により、過去10年間で人気が高まっています。それにもかかわらず、彼らの人気はニッケルとコバルトの供給に圧力をかけています。これらは、リチウム電池に必要な2つの金属です。その結果、特定の金属の価格は4倍になりました。コバルトはバッテリーに使用される最も高価な材料であるため、コバルトを混合物から取り除くことで、電気自動車をガス自動車と同じくらい安価にすることができると考えられていました。電気自動車に電力を供給するリチウムイオン電池に使用されており、需要が高まっています。

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主にコンゴ民主共和国から供給されているコバルトによる調達の制約により、同等の性能を備えたより安価でより豊富な代替品を探す必要があり、これはますます重要視されています。コンゴおよび隣接国の不確実な政治情勢も価格変動を引き起こし、製造業者の間で懸念を引き起こしています。

金銭的なコストの他に、金属の採掘には人的コストもかかります。コンゴ民主共和国は世界の供給量の60％を生産しており、これは児童労働と死者に関係しています。

電池のコバルトの代替品

別のバッテリーで作業すると、新しい課題が発生します。電池に使用するコバルトの量を減らす試みにより、それを置き換えることができる別の金属の需要が高まっています。

1.ニッケル

メーカーは、電気自動車のバッテリーに使用されるニッケルの量を増やしてエネルギー密度を高め、コバルトの使用を減らして価格を下げることを試みてきました。バッテリーにニッケルが多く含まれていることは、バッテリーがより多くのエネルギーを蓄えることができることを示しています。充電するたびに、エネルギー密度が向上するため、電話のバッテリー寿命が長くなり、電気自動車の航続距離が長くなる可能性があります。

ただし、ニッケルの割合を増やすと、バッテリーの安定性が低下し、サイクル寿命とバッテリーをすばやく充電する能力に影響します。ニッケルほどエネルギー密度を高めるのに優れた元素はなく、コバルトよりも材料を安定に保つのに優れた元素はありません」とユミコアの最高経営責任者であるマーク・グリンバーグは述べています。

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2.リチウム-鉄-リン酸塩

リン酸鉄リチウム電池は大幅に安価であり、コバルトが必要な電池と同じ環境問題はありません。テスラは、中国製の短距離車の場合、コバルトの代わりにリン酸鉄リチウムを使用することを決定しました。これらのバッテリーはエネルギー密度が低く、これは欠点であり、充電が必要になる前に車が移動できる距離が制限されます。他の中国企業、特に世界最大の電気自動車メーカーであるBYDは、すでにリン酸鉄リチウム電池を使用しています。より多くの電気自動車メーカーが世界規模で追随すれば、有限の鉱物供給への依存を減らすことができるかもしれません。

3.フッ化鉄

フッ化鉄と固体高分子電解質ナノコンポジットからの新しいカソードは、ジョージア工科大学の研究者によって作成されました。フッ化鉄の容量は、一般的なコバルトまたはニッケルベースのカソードの2倍以上です。さらに、鉄のコストはコバルトの3分の1、ニッケルの5分の1です。研究者らは、プレハブのフッ化鉄電極に固体高分子電解質を挿入することにより、このようなカソードを作成しました。次に、構造全体を熱プレスして密度を高め、ボイドを除去しました。

このポリマーベースの電解質は柔軟性があるため、サイクリング中のフッ化鉄の膨潤に耐えることができ、フッ化鉄との安定した柔軟な中間相を生成します。バッテリーにフッ化鉄を使用する場合、膨潤と悪影響は常に大きな問題でした。

フッ化鉄で構成されたカソードは大きな可能性を秘めていますが、サイクリング中の体積変動、液体電解質との寄生副反応、その他の劣化の問題により、歴史的にその使用が制限されてきました。

電池中のコバルトの削減

業界はコバルト依存の危険性を認識しており、多くのバッテリー生産者とエンドユーザーは、低コバルトまたは無コバルトのカソードに移行するという高い目標を設定しています。コバルトの含有量を最小限に抑えるには、経済的、安全、社会的な理由があります。コバルトはニッケル（Ni）と銅鉱石の副産物として抽出されます。これは、供給が他の商品会社から独立しておらず、新しい回復イニシアチブの実施にはコストがかかることを意味します。さらに、抽出と初期処理はいくつかの国に集中しています。結果として、リチウムイオン電池のコバルト濃度を大幅に下げることが賢明です。

研究イニシアチブの多くは、高エネルギー密度の高Ni材料に集中しています。高Niカソード材料を使用する場合の問題は、カソード表面のNi原子とセルの電解質との間の有害な相互作用により、容量が急速に低下し、インピーダンスが上昇することです。そのような反応を減らすためにその表面を安定化または保護するために多くのイニシアチブが進行中です。

電池のコバルトの代替品

コバルトの完全な代替品を見つけるために多くの研究が進行中であり、その中には、充電式リチウムイオン電池のカソード材料としてのバナジン酸塩ガラスおよびガラスセラミック構造の使用があります。 ACS Sustainable Chemistry＆Engineering？2021が実施した研究では、ガラスおよびガラスセラミックバナジン酸塩材料の初期容量は300 mA h / gを超え、サイクルの安定性は有望でした。文献で報告されている結晶同等物と比較した場合、バナジン酸塩ガラスおよびガラスセラミックは、良好なレート性能とより深い放電容量（1.5Vまで）を示しました。 X線回折、走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型分光法（EDS）、およびラマン分光法を使用して、新しい電極としてのバナデートガラスとガラスセラミックの処理構造と特性の接続を調査しました。

ガラスセラミック含有-Li0.33V2O5結晶はより大きな始動能力を持っていますが、アモルファスガラスバナジン酸塩は最高の安定したサイクル性能を示します。最小限の構造安定性を備えたガラスベースの電極の有望な性能にもかかわらず、持続的な劣化が見られた。ラマンとEDSの研究によると、バナジン酸塩ベースのセルは、リチウム金属アノードに移動する電解質にバナジウムの溶解を示します。これは、これらの材料をより安定させ、商業的に実行可能にするために解決する必要がある重要な問題です。

結論

近年、リチウムイオン電池のコバルトの量を減らしたり、電池の代替金属や化合物でコバルトを置換したりする研究が増えています。一例として、一部の電池メーカーは、コバルトの一部を置き換えるために電気自動車の電池に含まれるニッケルの量を増やすことを検討しています。

ただし、専門家は、費用対効果が低い可能性があり、コバルトをそのような魅力的な成分にする同じ特性がなければ、需要の高い金属を他のものに置き換えると製品の性能が低下する可能性があると警告しています。コバルトの使用量が少ない代替品は、予想よりも数年かかる可能性があり、完全に新しいバッテリー技術は、数十年にわたって商用テストの準備ができていない可能性があります。