科学的、技術的発展がどのようにシリコンをもたらすのか

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies は、「Titan Silicon」と名付けられた画期的な技術であるナノコンポジットシリコン (NCS) アノードを開発した電池材料開発会社です。

同社の材料は、家庭用電子機器の電池性能の向上を促進し、メルセデス・ベンツ G クラス シリーズをはじめとする電気自動車 (EV) に電力を供給することを目的としています。

Fastmarkets とのインタビューで、ユシン氏は、同社の NCS がシリコン主体のアノードとして実用化された開発と、その材料が EV および電池メーカーに何を提供するのかを詳しく掘り下げました。

ユーシンは、この技術がもう一つの重要な電池原料（BRM）である黒鉛の供給逼迫と生産における地理的格差の緩和に役立つ可能性があると考えている。

世界の大部分の黒鉛とは異なり、Sila の NCS は米国で製造されています。これは、より多くの原材料、特にエネルギー移行に不可欠な原材料のサプライチェーンを確保しようとする西側諸国の新たな推進力に同調していることを意味します。

シリコンとその化合物はこれまでアノードに限られた量で使用されてきましたが、最近の開発により、この材料をアノードに高濃度で使用できるようになり、特に電池の劣化に関連する課題が克服されました。

従来使用されていたグラファイトと比較してより高い容量を提供することで、NCS ベースの電極はより薄くなり、リチウムイオンの拡散距離が短縮され、コスト上のメリットが得られると Yushin 氏は説明しました。

この技術はまた、今日のグラファイトベースのリチウムイオン電池（LIB）と比較して、より高いエネルギー密度（チタンシリコンはエネルギー密度を最大40％向上させる）とより速い充電も提供すると同氏は述べた。

ユーシンは、グラファイトアノード LIB のコストが限界に達しても、パック レベルで 100 ドル/kWh 程度にとどまると試算しています。

Sila の次世代 NCS アノードとカソードは、「LIB パックのコストを 50 ドル/kWh まで削減するのに役立ち、急成長する EV 市場を動かすのに適した技術になります。」と Yushin 氏は述べています。

Fastmarkets の電池コスト モデリング チームは、一般的なニッケル コバルト マンガン (NCM) 電池の総コストの 10 ～ 15% をアノードが占め、カソードが 50 ～ 60% を占めると推定しています。

「アノードの改善は急速充電、寿命、一般的な性能にとって重要ですが、実際に電池全体のコストを下げるのは、カソード側の進歩です（カソード原材料の価格の引き下げと同様）。 製造プロセスを改善し、ギガファクトリーにおける無駄を最小限に抑えることも大きな役割を果たすだろう」と、ファストマーケットのセルコストモデラーであるムトゥ・クリシュナ氏は述べた。

「セルのエネルギー密度はアノードとカソードの両方に依存し、主にその容量と電気化学ポテンシャルに依存します」とユシン氏は述べた。

「超高容量NCSを次世代カソードと組み合わせることで、エネルギー密度を2倍に高めることが可能になります…これは、LIBパックがほぼ同じエネルギーを提供するために必要なセルの数が50%少なくなるということを意味します」と同氏は述べた。

Yushin 氏によると、LIB パックのサイズと価格も同様に約 50% 小さくなります。

同氏は、「同じ次世代カソードをグラファイトアノードと組み合わせると、大幅な性能向上は実現できないことに注意してください」と述べた。

これらの開発は、シリコンベースのアノードに対する認識に大きな変化をもたらしました。

「10年前、数多くの技術的課題を克服する科学技術上の困難のため、業界のほとんどの人々はシリコン陽極がすぐに現実になるとは信じていませんでした」とユシン氏は語った。

「私たちが今聞いている主な疑問は、TWhレベルの需要を満たすためにチタンシリコンの生産をどれだけ早く拡大できるかということです」と彼は付け加えた。

ここ数年、一部の大手電池会社は、過度の劣化を避けながらLIBのエネルギー密度やレートをわずかに向上させるために、日本または中国で生産された少量の酸化ケイ素材料をグラファイトアノードに導入し始めた。

しかし、シリコン主体の陽極という考えは論外だとユシン氏は語った。

「現在では、チタンシリコンを[50重量％]を超えて使用したり、アノードのグラファイトを完全に置き換えたりすることができます」と彼は言いました。