砂漠・寒冷地の蓄電課題を打開へ、蘭州大学が低コスト・広温度域のナトリウムイオン電池材料を開発

この記事のポイント

• 蘭州大学が、砂漠や極寒環境に対応する低コストかつ広温度域のナトリウムイオン電池用正極材料を開発しました。
• マイナス40℃の極低温環境下でも160Ahのセルがエネルギー効率80.5%を維持し、年間の温度管理電力を20万kWh以上削減可能です。
• 金川集団、中科海鈉、華潤電力などの大手企業と産学連携プラットフォームを構築し、サプライチェーンの現地化と実証を進めています。
• リチウム電池の急速応答性とナトリウム電池の長寿命・耐寒性を組み合わせた「リチウム・ナトリウム相補型」蓄電の運用が実証されています。

材料革新で極寒地の蓄電課題を克服

再生可能エネルギーの導入規模が拡大し続けるなか、エネルギーの利用効率を高めるために蓄電技術の重要性が増しており、その中核を電池材料が担っています。

現在最も広く普及しているのはリチウムイオン電池です。しかし、中国甘粛省の砂漠・ゴビ・荒漠地域では、最低気温がマイナス20℃、最高気温が40℃以上に達し、激しい風砂の影響も受けるため、従来型のリチウムイオン電池では性能低下や安全面のリスクが高まるという課題がありました。さらに、リチウム資源の海外依存度の高さや近年のコスト上昇も、新たな蓄電技術の模索を後押ししています。

これに対し、地殻中に豊富に存在するナトリウムを用いたナトリウムイオン電池は、高い安全性、長いサイクル寿命、優れた充放電レート特性を備えています。蘭州大学材料・エネルギー学院の彭尚龙教授の研究チームは、過酷な環境と電力網のピークシフト需要に対応するため、低コストかつ広温度域で動作するピロリン酸リン酸鉄ナトリウム正極材料を開発しました。

この正極材料は安定した三次元骨格構造を持ち、高安全性と低温耐性を両立しています。甘粛省の寒冷地におけるメガワット級蓄電プロジェクトのデータでは、160Ahのナトリウムイオン電池セルがマイナス40℃の環境下でエネルギー効率80.5%を維持し、年間の温度管理用電力を20万kWh以上節約できることが確認されました。

産学連携によるエコシステム構築と実用化の加速

同材料の実用化にあたっては、相純度の低さや反応速度の遅さ、大気中での安定性の低さといった課題が存在していました。彭尚龙教授のチームは液相合成プロセスに着目し、スプレードライ法により前駆体の形状と炭素分布を制御して均一性を向上させました。さらに、ドーピング改質や炭素複合被覆、結晶相の最適化を組み合わせることで、高安定性を保ちながら低温時の容量維持率を大幅に向上させることに成功しました。

研究チームは、技術の産業化を推進するため、金川集団、中科海鈉、華潤電力などの業界大手企業と連携した産学連携イノベーションプラットフォームを立ち上げました。中国工程院の陳立泉院士が主導するプロジェクトの支援のもと、以下の役割分担で実証が進められています。

• 蘭州大学：材料技術の研究開発
• 金川集団：甘粛省の鉱物資源を活かした原材料の現地供給
• 中科海鈉：電池セル製造による技術のエンジニアリング展開
• 華潤電力：再エネ基地での実環境を用いたピークシフト実証

この取り組みにより、実験室から生産現場への橋渡しが進むと同時に、甘粛省内での原材料サプライチェーンの構築が進展しています。

「リチウム・ナトリウム相補型」蓄電と今後の展望

現在の大容量電気化学蓄電ステーションでは、リチウム電池とナトリウムイオン電池を組み合わせた運用が検証されています。迅速な応答が可能なリチウム電池が短距離走者のように周波数調整を担い、ナトリウムイオン電池は長距離走者のように夜間の低温下でも安定して放電し、長時間のピークシフトを担当します。この組み合わせにより、発電所のコスト低減と運転効率の向上が同時に実現されています。

中国では2025年、工業情報化部など8部門が「新型蓄電製造業高品質発展行動計画」を共同で発表し、長寿命、高エネルギー密度、広温度域、高出力を目指した大規模ナトリウムイオン電池システムの技術開発を掲げました。また、工業情報化部が主導する蓄電用ナトリウム電池の国家規格2件も公布されるなど、標準化と商業化が加速しています。

彭尚龙教授は、ナトリウムイオン電池は資源の自主性、低コスト、高安全性、広温度域といった特長を活かし、今後はAI計算能力センター（データセンター）やゼロカーボン工業団地、グリーン電力直供など、より高い安全性が求められる分野でリチウムイオン電池を補完していくと指摘しています。

出典: 元記事を読む