中国のナトリウムイオン電池技術開発パートナーと提携するためのステップバイステップガイド

Dany Huang博士およびNeil Zhao著

リチウムは希少な元素ではありません。しかし、経済的に採算の取れるリチウム埋蔵量は、南米の少数の塩湖、西オーストラリアの硬岩鉱床群、そして中国の塩水湖事業に大きく集中しています。この地理的な集中と、バッテリー需要の指数関数的な増加が相まって、リチウムのサプライチェーンの安全性は経営陣レベルの懸念事項となっています。ナトリウムは異なります。地殻中で6番目に豊富な元素であり、海水、岩塩、ソーダ灰に含まれています。その供給は特定の地理的条件に縛られません。リチウムではなくナトリウムをベースにしたバッテリー化学は、単なるコスト削減以上のものをもたらします。それは、構造的に異なるサプライチェーンのリスクプロファイルを提供します。

ナトリウムイオン電池対リチウムイオン電池

ナトリウムイオン電池は、5年前にほとんどの専門家が予測したよりも速いスピードで、学術的な関心の対象から産業上の現実へと移行しました。TOB NEW ENERGYは、現在、以下の開発を支援している中国のバッテリー企業および機器サプライヤーの一つです。ナトリウムイオンセル開発 専用のパイロットライン機器、材料サプライチェーン、プロセスエンジニアリングの専門知識を備えており、20年にわたるリチウムイオン製造の経験を活かして新しい化学技術を加速させています。このガイドは、ナトリウムイオンを戦略の一部に組み込むことを決定し、その決定を製造パートナーシップへと転換する方法を理解する必要がある企業向けです。

フェーズ1：なぜ今、ナトリウムイオンなのか

3つの独立した力が収束し、ナトリウムイオン電池を実験室から工場へと押し上げました。

2021年から2022年にかけてのリチウム価格のショック（炭酸リチウムが1トンあたり7,000ドルから80,000ドル以上に急騰した時）は、バッテリー業界のリスク認識を永久に変えました。価格が落ち着いた後も、単一の化学物質に依存するサプライチェーンの構造的な脆弱性が露呈しました。ナトリウムイオンの戦略的価値は、価格曲線のあらゆる点でリチウムイオンよりも安いということではありません。リチウムの供給が地理的要因、処理能力、地政学的要因によって制約される場合に、拡張可能な代替化学技術が、そうでなければ満たされない需要を吸収できるという点にあります。

技術の準備状況は閾値を超えました。2020年頃まで、ナトリウムイオンセルは商業用途に必要なサイクル寿命とエネルギー密度を達成するのに苦労していました。過去3年間で状況は一変しました。層状酸化物正極は現在3,000〜5,000サイクルを達成しています。ハードカーボン負極は、初期のクーロン効率を約70%から85〜90%に改善しました。これはグラファイトの90%超には及びませんが、システムレベルの経済性が成り立つ範囲内です。フルセルのエネルギー密度は1キログラムあたり140〜160ワット時に達しました。これはLFPの160〜180やNMCの200〜260には及びませんが、定置型蓄電、低速電気自動車、二輪車、バックアップ電源など、エネルギー密度ではなくキロワット時あたりのコストが決定的な指標となる用途には十分です。

中国のナトリウムイオンサプライチェーンは驚異的なスピードで形成されました。正極前駆体の合成、ハードカーボンの製造、NaPF₆電解質 の製造、およびセル製造装置はすべて中国のサプライヤーから入手可能です。なぜなら、リチウムイオン製造で使用される機器の80%以上が、最小限の改造でナトリウムイオン用に転用できるからです。リチウムイオンのために20年かけて構築されたサプライチェーンが、ナトリウムイオンでは約5年で複製されました。TOB NEW ENERGYのような統合サプライヤーが、材料と製造装置の両方を単一の供給関係の中で提供しています。国際的なバッテリーメーカーにとって、中国を拠点とするナトリウムイオン開発企業と提携することは、このインフラにアクセスすることを意味します。

フェーズ2：ナトリウムイオンはリチウムイオンとどう違うのか

ナトリウムイオン電池とリチウムイオン電池は、「ロッキングチェア」型イオンインターカレーションという同じ動作原理を共有しています。電圧ウィンドウ、容量、レート特性、サイクル寿命といったあらゆる概念が、リチウムイオン工学から直接転用可能です。知識ベースは移植可能ですが、材料システムはそうではありません。

ナトリウムイオンの半径は1.02オングストロームで、0.76オングストロームのリチウムイオンより34%大きいです。このサイズの違いは、あらゆる材料の選択に影響を及ぼします。正極材料は、より広い層間隔を持つ層状酸化物や、オープンフレームワーク構造を持つプルシアンブルー類似体など、より大きなイオンを結晶構造内に収容できるものを選ぶ必要があります。負極はグラファイトではなくハードカーボンでなければなりません。なぜなら、ナトリウムイオンはリチウムイオンと異なり、グラファイトの狭い層間ギャップにインターカレートできないからです。ハードカーボンは、ナノポアへの吸着と無秩序なグラフェン領域へのインターカレーションの組み合わせによってナトリウムを貯蔵します。これは、根本的に異なるメカニズムであり、根本的に異なる最適化パラメータを必要とします。

電解質は、同様の炭酸エステル系溶媒ブレンドにおいてLiPF₆の代わりにNaPF₆を使用します。溶媒工学の知識は転用可能です。しかし、塩のサプライチェーンはそうではありません。NaPF₆の生産能力は現在LiPF₆より一桁小さいですが、ナトリウムイオンセルの生産量増加に伴い、スケールアップが進んでいます。

これらの違いは、リチウムイオンの製造経験はナトリウムイオンに転用できるものの、リチウムイオンの製造パラメータはそのままでは使えないことを意味します。機器は同じですが、プロセスは異なります。TOB NEW ENERGYのアプリケーションラボでは、リチウムイオンと同じ機器プラットフォームを使用してナトリウムイオン専用の混合およびコーティング試験を行い、顧客の生産ラインに転用できるプロセスパラメータを開発しています。

ナトリウムイオン電池正極混合

フェーズ3：3つの正極ルートと1つの負極のボトルネック

層状酸化物正極（O3型およびP2型ナトリウム遷移金属酸化物）は、合成および処理においてリチウムイオンのNMC正極に最も近いものです。これらは同じ機器を使用して、同じ共沈法および固相焼結法を採用しています。1グラムあたり120〜160ミリアンペア時の比容量は、ナトリウムイオン正極の中で最も高い値です。主な課題はサイクル中の構造安定性であり、相転移が容量低下を引き起こすため、元素ドーピング戦略によってこれを抑制することを目指しています。TOB NEW ENERGYのCEOであるDany Huangは、JOM（DOI: 10.1007/s11837-026-08446-8）において、O3型ナトリウムイオン正極材料へのホウ素・コバルト・銅の共ドープに関する査読付き研究を発表しました。この研究では、多元素ドーピング戦略が容量とサイクル安定性の両方をどのように改善できるかを調査しており、同社のナトリウムイオン材料供給および機器の推奨事項に直接つながる研究となっています。

プルシアンブルー類似体（ ヘキサシアノ鉄(II)酸ナトリウムおよび関連組成物）は、あらゆるナトリウムイオン正極の中で最も低い原材料コストを実現します。鉄とマンガンは豊富に存在します。合成には常温に近い条件での水系共沈法を使用するため、高温炉や制御された雰囲気は不要です。オープンフレームワーク構造によりナトリウムイオンの拡散が速く、優れたレート特性を実現します。製造上の課題は結晶水です。プルシアンブルーの格子内に閉じ込められた水分子はサイクル中に放出され、電解質を劣化させ、構造を崩壊させます。結晶水含有量の制御が、このルートにおける中心的な製造上の問題です。

ポリアニオン化合物（フッ化リン酸バナジウムナトリウムおよび硫酸鉄ナトリウム）は、並外れた構造安定性を提供します。10,000サイクルを超えるサイクル寿命が実証されています。トレードオフとなるのは比容量（通常1グラムあたり120ミリアンペア時未満）であり、バナジウムを含む組成物については、原材料コストとサプライチェーンの集中リスクが課題となります。

ハードカーボンは、3つの正極ルートすべてに共通するアノード（負極）です。その初回充放電効率（最初の充電で挿入されたナトリウムのうち、最初の放電で回収される割合）は、ナトリウムイオン電池の経済性において最も重要な単一の数値です。効率が1パーセント低下するごとに、ハードカーボン表面でのSEI形成に恒久的に消費されるナトリウム、つまり正極から供給されなければならず、使用可能なセル容量あたりの正極コストを押し上げるナトリウムを意味します。前駆体の選択、炭化の最適化、表面コーティングを通じたハードカーボンの効率改善は、ナトリウムイオン電池業界全体において最もレバレッジの高い研究開発の優先事項です。

ナトリウムイオン電池材料

フェーズ4：製造 — 互換性という利点

ナトリウムイオン電池が全固体電池に対して持つ最大の利点は、製造上の互換性です。リチウムイオン電池セルを製造する工場は、中核となる設備を置き換えることなく、ナトリウムイオン電池の生産に転換できます。

「遊星ミキサー 」は、NMC正極スラリーを分散させるものですが、速度プロファイルと混合時間を変更すれば、同じ機械で層状酸化物ナトリウムイオン正極スラリーも分散させることができます。NMCスラリーをアルミ箔に塗布するスロットダイコーターも、ギャップ設定と乾燥プロファイルを変更すれば、同じコーティングヘッドと乾燥機でナトリウムイオン正極スラリーを塗布できます。カレンダー、スリッター、積層または巻取り機、電解液注入システム、および化成装置はすべてそのまま再利用可能です。化成プロトコルは書き換える必要があります（ハードカーボン上でのSEI形成は、グラファイト上でのSEI形成とは異なる反応速度に従うため）が、化成ハードウェアは変更不要です。

この互換性は、ナトリウムイオン電池の製造能力を、新しいリチウムイオン電池工場を建設する場合のわずかな資本コストで追加できることを意味します。また、リチウムイオン電池生産で培われた製造現場の労働力、品質システム、サプライチェーン管理インフラがそのまま移行できるため、ナトリウムイオン電池製造の学習曲線が短縮されることも意味します。

TOB NEW ENERGYは、以下の統合サプライヤーとして、両方の領域でナトリウムイオン電池の製造をサポートしています。電池材料 および電池製造装置。同社の材料サプライチェーンには、ナトリウムイオンセル用のハードカーボンアノード 粉末および層状酸化物正極材料が含まれます。同社の装置（ミキサー、コーター、カレンダー、組立システム、化成装置）は、リチウムイオン電池をサポートするのと同じインフラでナトリウムイオン電池ラインにも対応します。初めてナトリウムイオン電池ラインを構築するメーカーにとって、TOB NEW ENERGYの統合的なアプローチは、単一のエンジニアリングチーム内で材料と装置を接続し、材料サプライヤーと装置サプライヤーが分断されることで必然的に生じる調達やプロセス開発の断片化を解消します。 （※注：原文のインデックス50は、インデックス48および49の続きとして統合的に処理しました）

フェーズ5：中国のナトリウムイオン電池エコシステム

中国がナトリウムイオン電池の産業化で主導権を握っているのは、政府がナトリウムイオン電池を特にターゲットにしたプログラムの結果ではありません。それは、リチウムイオン電池製造における中国のリーダーシップの二次的な効果です。

正極材料メーカー、負極材料メーカー、電解液メーカー、装置メーカー、セルメーカーが数百キロメートルの地理的範囲内に集積していることで、大陸をまたぐサプライチェーンでは不可能なプロセスフィードバックサイクルが可能になっています。山東省のハードカーボンメーカーは、福建省のセルメーカーにサンプルを出荷し、数週間以内に充放電データを受け取り、次のロットに向けて炭化パラメータを調整することができます。これらすべてが、四半期ごとの計画サイクル内で行われます。欧州のセルメーカーとアジアのハードカーボンサプライヤーの間で同じフィードバックループを行うには、数ヶ月かかります。

このエコシステムは、ナトリウムイオン電池が必要とする装置の適応もサポートしています。NMCやLFPスラリー向けにスロットダイの形状を最適化してきたコーティングダイメーカーは、現在、ナトリウムイオン用の層状酸化物やプルシアンブルー類似体スラリー向けに最適化を行っており、同じ流体力学の専門知識を新しいレオロジーに応用しています。グラファイトアノードのリチウムイオン電池向けにプロトコルを開発してきた化成システムメーカーは、ハードカーボンアノードのナトリウムイオン電池向けにプロトコルを開発しており、同じ電気化学エンジニアリングを新しいSEI化学に応用しています。専門知識は移行しますが、パラメータセットは移行しません。

国際的なパートナーにとって、中国を拠点とするナトリウムイオン電池技術開発者を選択することは、開発者自身の能力だけでなく、彼らがつながっているエコシステム（ハードカーボンサプライヤーとの関係、NaPF₆サプライチェーン、装置の適応経験など）を評価することを意味します。強固なエコシステムとのつながりを持つ開発者は、孤立して活動する開発者には解決できないサプライチェーンの問題を解決できます。

フェーズ6：パートナーシップの決定

ナトリウムイオン電池の技術パートナーを選択するには、一般的な電池装置サプライヤーの評価と重複する側面（パイロットラインのインフラ、プロセスデータ、特許ポートフォリオ）と、ナトリウムイオン電池に特有の側面を評価する必要があります。

パートナーはどの正極ルートに経験がありますか？層状酸化物、プルシアンブルー類似体、ポリアニオン系化合物の正極は、それぞれ異なる合成装置、異なるスラリー配合、異なる電極処理パラメータを必要とします。ナトリウムイオン電池の経験が特定の正極ルートに集中しているパートナーは、別のルートにとっては最適なパートナーではない可能性があります。

パートナーのハードカーボン供給状況はどうですか？自社でハードカーボンを合成していますか、それとも第三者から購入していますか？自社生産または安定した認定サプライヤーとの関係を通じてハードカーボンの供給を管理しているパートナーは、アノードの一貫性を保証できます。スポット市場でハードカーボンを調達しているパートナーには、それができません。

パートナーはナトリウムイオン電池の試験データを持っていますか？単なる材料仕様ではなく、生産を代表する装置で自社の正極および負極材料を使用して構築されたセルからの実際の充放電データです。材料仕様は必要ですが、セルデータこそが十分な証拠です。ナトリウムイオン正極粉末が機能することの唯一の証明は、充放電を行うナトリウムイオン電池そのものです。

サイクル寿命試験中のナトリウムイオンパウチセル

パートナーシップの決定では、電池化学の進化というより長いスパンも考慮すべきです。リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池の両方を単一のエンジニアリングおよび供給基盤からサポートするパートナーは、化学世代間でサプライヤーを変更する際に生じる切り替えコストを排除します。マルチケミストリーの未来において、その切り替えコストは化学の移行ごとに積み重なっていきます。

ナトリウムイオン電池技術パートナーシップのまとめ：ナトリウムイオン電池は、リチウムサプライチェーンの集中リスク、正極および負極材料の急速な改善、そしてリチウムイオン電池の製造基盤を活用する中国の能力（生産設備の80パーセント以上が直接再利用可能）に後押しされ、学術研究から産業生産へと移行しました。3つの正極ルート（層状酸化物、プルシアンブルー類似体、ポリアニオン系化合物）は、ハードカーボンの初回充放電効率とコストという共通のアノードのボトルネックを共有しています。リチウムイオン電池生産ラインとの製造上の互換性は、全固体電池にはない資本コスト上の利点をナトリウムイオン電池にもたらします。20年にわたるリチウムイオン電池のインフラとサプライチェーン開発の上に築かれた中国のナトリウムイオン電池エコシステムは、国際的なパートナーに対し、独自に開発するには数年かかる材料、装置、プロセス専門知識へのアクセスを提供します。中国を拠点とするナトリウムイオン電池技術パートナーを選択するには、正極ルート固有の経験、ハードカーボンサプライチェーンの管理、セルレベルの試験データ、そして技術移行全体にわたって複数の電池化学をサポートするパートナーの能力を評価する必要があります。

Dany Huang, Ph.D. — CEO, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.

Neil Zhao — 技術部長, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.