ナトリウムイオン電池 2023-2033年:技術、プレーヤー、市場、そして予測Sodium-ion Batteries 2023-2033: Technology, Players, Markets, and Forecasts ナトリウムイオン電池の紹介 既存のエネルギー貯蔵技術の中で、リチウムイオン電池(LIB)は、比類のないエネルギー密度と汎用性を持っています。リチウムイオン電池は、その実用化当初から、携帯機器... もっと見る
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サマリー
ナトリウムイオン電池の紹介
既存のエネルギー貯蔵技術の中で、リチウムイオン電池(LIB)は、比類のないエネルギー密度と汎用性を持っています。リチウムイオン電池は、その実用化当初から、携帯機器を中心に普及が進んできました。しかし、近年では、大型の電気自動車や定置用機器への応用が進んでいます。LIBの原料鉱床は偏在しており、価格が変動しやすいため、これらの大規模な用途はLIBのバリューチェーンにかつてない圧力をかけ、代替エネルギー貯蔵化学物質が必要とされるようになった。ナトリウムイオン電池(SIBまたはNaイオン電池)化学は、最も有望な「リチウムを超える」エネルギー貯蔵技術の1つである。本レポートでは、SIBの商業化に向けた展望と主要な課題について解説しています。
ナトリウムイオン電池は、リチウムイオン電池と比較して、コスト、安全性、持続可能性、性能の面で有望であり、商業化の端緒についた新しい電池技術である。広く入手可能で安価な原材料と既存のリチウムイオン製造方法を使用することができ、急速な拡張性が期待されます。SIBは、重量や体積ではなく、生涯運用コストが最優先されるカーボンニュートラルなエネルギー貯蔵に対する世界的な需要を満たす上で、魅力的な選択肢となります。ナトリウムイオン電池は、リン酸鉄リチウム(LFP)電池に匹敵する特性を持つものが増えており、自動車への応用も可能であることが示唆されています。
SIBは、基本的な動作原理はLIBと同じですが、移動カチオンとしてリチウムではなくナトリウムに依存しています。リチウムとは異なり、ナトリウムは室温でアルミニウムと電気化学的に合金化することはない。そのため、負極の銅集電体を安価なアルミニウムに置き換えることができ、SIBのコストを下げるだけでなく、SIBは完全に放電した0Vの状態で輸送することができるため、輸送のリスクも減らすことができます。負極活物質としては、結晶性グラファイトがナトリウムイオンの貯蔵能力に劣るため、グラファイトの代わりにハードカーボンが一般的に使用されています。正極活物質としては、層状遷移金属酸化物、ポリアニオン系化合物、プルシアンブルー類似体など様々なものが使用できます。電解液やセパレータ、正極集電体は、電解液にナトリウム塩を使用する以外は、LIBと同様である。本レポートでは、Naイオン材料と化学物質を比較し、その市場可能性を評価するために、セルコストの内訳を記載しています。
出典:IDTechEx
ナトリウムイオン電池にはどんな市場があるのか?
Naイオン技術は、電極や電解質が似ていてLiイオンを模倣していますが、NaはLiの3倍重く、酸化還元電位も300mV低いため、Liイオンと比較してエネルギー密度が少なくとも約30%低くなっています。このギャップは永遠に続く。なぜなら、Naの材料レベルでの進歩は、同じ材料ファミリーを扱っているため、Liの進歩に常に反映されるからである。つまり、電気自動車のような高エネルギー密度を必要とする用途では、Naイオン技術だけでは対応できない部分があるのです。しかし、定置用蓄電池、電動二輪・三輪車、電動マイクロカーなど、エネルギー密度がそれほど重要でない用途では、出力、安全性、コストなどの特性から、Naイオン電池が理想的と言えます。現在、商業製品を市場に投入しているプレーヤーは非常に少なく、製品を投入しているプレーヤーも、Naイオン電池のユースケースを検証するためのトライアルプロジェクトで限定的に供給しています。IDTechExでは、Naイオン電池技術が中期的に研究段階から商業化段階に移行する中で、新たな発表や提携がなされることを期待しています。
ナトリウムイオン電池の有望な応用分野
出典:IDTechEx
産業の発展
IDTechExは、複数の候補材料が存在する環境下で、製品の想定用途に合わせて独自のNaイオン電池技術を開発している企業を約15社確認しました。例えば、Faradion社(英国)は高エネルギー密度の実現に注力し、Natron Energy社(米国)は長サイクル寿命の電池開発を追求している。ファラディオンは2021年末にインド最大のコングロマリットであるリライアンス・インダストリーズに買収され、買収した技術をインドに建設予定のギガファクトリーで使用する計画です。2022年5月、Natron Energyは、同社と米国の自動車用鉛蓄電池大手のClariosが2023年にNa-ion電池の量産を開始すると発表した。その他の量産計画については、とりわけCATLを含む中国企業が、2023年までに最初の製品の商業マーケティングを開始すると発表し、その他の企業もすべて2025年までに商業化を達成する予定である。中国企業のNaイオン電池量産化の動きが加速している背景には、電池の安定供給と電池産業におけるリーダーシップの維持を目的とした政府の施策があります。2017年に中国科学院物理研究所から独立したHiNa Batteryは、Naイオン電池のスタートアップ企業の中でも特に注目されており、太陽電池貯蔵用の1MWhの電池システムの展開に最大の成功を収めました。HiNaは、5GWhという最大級のGWhクラスのNaイオン電池生産ラインを稼働させる計画で、1GWhの生産能力は2022年7月に正式に完成する。
本レポートでは、このような主要なNaイオン電池メーカーについて、サプライチェーンも含めて分析・レポートしています。技術分析、製品紹介、ロードマップ、財務/資金調達、材料、セル仕様、製造、サプライチェーン、パートナーシップ、特許分析、将来ビジネス、SWOT分析など、さらに詳細な企業分析を行っています。
本レポートの主な内容は以下の通りです:
目次
Summary
この調査レポートでは、ナトリウムイオン電池の市場について詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容(目次より抜粋)
Introduction to sodium-ion batteries
Among the existing energy storage technologies, lithium-ion batteries (LIBs) have unmatched energy density and versatility. From the time of their first commercialization, the growth in LIBs has been driven by portable devices. In recent years, however, large-scale electric vehicle and stationary applications have emerged. Because LIB raw material deposits are unevenly distributed and prone to price fluctuations, these large-scale applications have put unprecedented pressure on the LIB value chain, resulting in the need for alternative energy storage chemistries. The sodium-ion battery (SIB or Na-ion battery) chemistry is one of the most promising "beyond-lithium" energy storage technologies. Within this report, the prospects and key challenges for the commercialization of SIBs are discussed.
Sodium-ion batteries are an emerging battery technology, on the cusp of commercialization, with promising cost, safety, sustainability and performance benefits when compared to lithium-ion batteries. They can use widely available and inexpensive raw materials and existing lithium-ion production methods, promising rapid scalability. SIBs are an attractive prospect in meeting global demand for carbon-neutral energy storage, where lifetime operational cost, not weight or volume, is the overriding factor. Increasingly sodium-ion batteries have characteristics comparable to lithium iron phosphate (LFP) batteries, suggesting that even automotive applications are possible.
SIBs have the same fundamental working principle as LIBs, but rely on sodium rather than lithium as mobile cations. Unlike lithium, sodium does not electrochemically alloy with aluminium at room temperature. Thus, the copper current collector on the anode can be replaced by cheaper aluminium; it not only lowers the SIB costs, but also reduces the transportation risks, as SIBs can be transported completely discharged, at 0V. Hard carbon is typically used as the anode active material instead of graphite, as crystalline graphite has poor storage capabilities for sodium ions. Various cathode chemistries based on layered transition metal oxides, polyanionic compounds, and Prussian Blue Analogues can be used. Electrolytes and separators, as well as the positive current collectors, are similar to LIBs, except for the use of sodium salts in the electrolyte. This report compares Na-ion materials and chemistries including cell cost breakdowns to evaluate their market potential.
A schematic representation of a sodium-ion cell. Source: IDTechEx
What markets exist for sodium-ion batteries?
Although Na-ion technology mimics Li-ion with similar types of electrodes and electrolytes, Na is three times heavier than Li and has redox potential 300mV lower, which inherently reduces the energy density of Na-ion technology by at least ∼30% compared to Li-ion. This gap will prevail forever, because progress that could be made at the materials level for Na will always be mirrored with progresses on Li, since we are dealing with the same family of materials. So straightforwardly, the usage of Na-ion technology alone in applications requiring high energy density, such as battery electric cars is partly eliminated. However, in applications where energy density is not as critical for e.g. stationary energy storage, electric two- and three-wheelers, and electric microcars, Na-ion batteries can be ideal due to their power, safety, and cost characteristics. Currently, very few players have commercial products on the market, and even those with products available are supplying in limited quantities for trial projects to verify the use-case of Na-ion batteries. IDTechEx expects new announcements and partnerships to be announced as Na-ion battery technology moves from the research to commercialization stage in the medium term.
Promising fields of applications for sodium-ion batteries. Source: IDTechEx
Industrial developments
IDTechEx has identified around 15 companies developing their own Na-ion battery technology to match the expected application of its product, in an environment where multiple candidate materials are available. Faradion (UK), for example, is focusing on achieving high energy density, while Natron Energy (US) is pursuing the development of a battery with a long cycle life. Faradion was bought out by India's largest conglomerate Reliance Industries at the end of 2021 with plans to use the acquired technology at its proposed giga-factory in India. In May 2022, Natron Energy announced that the company and Clarios, a US major automotive lead-acid battery manufacturer, will begin mass production of Na-ion batteries in 2023. As for other mass production plans, Chinese companies, including CATL amongst others, announced that it will launch the commercial marketing of its first product by 2023, with all others planning to achieve commercialisation before 2025. Behind the acceleration of Chinese companies' efforts toward Na-ion battery mass production are government measures aimed at ensuring a stable supply of batteries and maintaining leadership in the battery industry. HiNa Battery, which became independent from the Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences in 2017, is one of the most notable Na-ion battery startups, with the largest successful deployment of a 1MWh battery system for solar storage. HiNa plan to operate one of the largest GWh class Na-ion battery production lines of 5GWh, with 1GWh capacity being officially completed in July 2022.
This report provides analysis and reporting of such key Na-ion players including those in the supply chain. It offers further detailed company analysis such as technology analysis, product introduction, roadmap, financial/funding, materials, cell specification, manufacturing, supply chain, partnerships, patent analysis, future business, and SWOT analysis.
Key takeaways from this report include:
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