先進リチウムイオン電池技術 2024-2034:技術、プレーヤー、予測Advanced Li-ion Battery Technologies 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts リチウムイオン電池セルの世界市場規模は、主にバッテリー式電気自動車や自動車の需要に牽引され、2034年までに3,800億米ドルに達すると予測されている。電気自動車の普及を確実なものとし、電子機器やツール... もっと見る
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サマリー
リチウムイオン電池セルの世界市場規模は、主にバッテリー式電気自動車や自動車の需要に牽引され、2034年までに3,800億米ドルに達すると予測されている。電気自動車の普及を確実なものとし、電子機器やツールの長時間駆動と高機能化を実現するためには、電池の性能とコストの改善が必要であり、次世代リチウムイオン技術の開発競争が激化している。本レポートでは、シリコン負極、リチウム金属負極、正極材料と合成開発、固体電池の紹介など、先進的な次世代リチウムイオン電池の材料と設計の詳細な分析、動向、開発状況を掲載しています。各技術分野の主要プレーヤーや新興企業の詳細が概説され、シリコン、Li金属、正極材料のシェアについて、対応可能な市場と予測が提供される。
リチウムイオン需要予測。出典:IDTechEx
これまで民生用電子機器の需要に牽引されてきたEVと定置型蓄電市場の重要性はますます高まっている。定置型エネルギー貯蔵市場では、数多くのバッテリーやエネルギー貯蔵オプションが利用可能になりつつあるが、電子機器やポータブル機器、電気自動車や電気自動車に高いエネルギー密度が要求されるため、リチウムイオン電池が主要なバッテリー化学物質であり続けることは確実である。しかし、依然として改良が求められている。コンシューマー機器やポータブル機器では、コンピューティング能力の向上に対応し、より高機能を提供するために、より長い駆動時間とより高速な充電機能が必要とされている。潜在的な利益をもたらすEV市場にとっては、航続距離の延長、充電時間の短縮、そしてもちろんコストと価格の低減が、普及の鍵を握っている。バッテリー電気自動車市場は、もちろん多くのバッテリー技術開発にとって重要なターゲットであり、2030年までにバッテリー需要が2700GWhを超えると予測される市場に供給する機会を提供する。確かに、先進的な次世代リチウムイオン技術の開発は、さまざまな部門にとって、また市場での成功や地位の維持を目指す電池企業にとっても、極めて重要である。
リチウムベースのセル化学の設計概略図。出典:IDTechEx
負極
新しい負極材料は、電池性能、特にエネルギー密度と急速充電能力を大幅に向上させる可能性がある。リチウムイオンに対する最もエキサイティングな材料開発の2つは、シリコン負極とリチウム金属負極の開発と採用である。この興奮は主に、これらの負極材料がエネルギー密度を大幅に向上させる可能性に起因しており、現在の最先端のリチウムイオン電池と比較して30~40%の向上が実現可能である。レート能力、安全性、環境プロファイル、さらにはコストの向上も、開発者たちによって強調されている。しかし、添加剤としてのシリコン酸化物の使用から高重量%への移行や、リチウム金属アノードの使用は、電池のサイクル寿命と長寿命に深刻な問題を引き起こしており、これまでのところ商業的な採用が遅れ、制限されている。本レポートでは、開発中の解決策を網羅・分析し、高エネルギー負極材料と設計の商業化を目指す様々な企業を取材している。また、LTO負極やニオブ負極など、金属酸化物をベースとした高レート負極材料についてもカバーしている。
正極
新しい正極材料は、既存メーカーや直接の競合他社よりも改善されることが期待されるが、その規模は比較的小さく、リチウムイオン電池の性能限界を大きく押し上げる可能性は低い。その代わり、正極の開発は、ある化学物質を他の化学物質より導入する際に内在するトレードオフを最適化し、最小化するのに役立つ。材料コストとサプライチェーンの問題も、次世代正極材料の開発において重要な役割を果たす。例えば、企業は性能を最大化し、コバルトへの依存度を低減するために、NMCカソード中のニッケル含有量を推進し続けており、LMFPカソードは同様のコストプロファイルを維持しながら、LFPよりも高いエネルギー密度を提供し、Li-Mnリッチカソードはコバルトとニッケル含有量を低減しながら、NMC材料と同様のエネルギー密度を提供することができます。IDTechExのレポートでは、様々な次世代リチウムイオン正極材料の評価を行い、それぞれの長所と短所、特定の用途や市場に提供する、あるいは提供し得る価値提案を強調している。
セルとバッテリーの設計
セルとバッテリーパックの設計に対する開発も、性能の継続的な向上において同様に重要な役割を果たすことができる。セル・レベルでは、電極構造、集電体設計、電解液添加剤と配合、およびカーボン・ナノチューブなどの添加剤の使用が、さまざまな用途でリチウムイオン性能を最大化する上で引き続き役割を果たすことになる。パック・レベルでは、エネルギー密度を最適化する手段として、セル・トゥ・パック設計が電気自動車でますます普及しつつあり、BYD、CATL、テスラなどのプレーヤーによって開発が進められている。より革新的なバッテリー管理システムと分析もまた、バッテリー改良の重要なルートを示しており、エネルギー密度、レート能力、寿命、安全性などの性能特性を同時に改善する数少ない方法の一つを提供している。
商業化
現在のリチウムイオン材料加工とセル製造は、アジアと中国が支配的である。特に米国と欧州は現在、独自のバッテリー・サプライ・チェーンを開発・育成しようとしているが、価値を獲得し、国産化するための1つのルートは、技術革新と次世代技術開発をリードすることである。この点では、米国と欧州の方がやや優れている。イノベーションの代用として新興企業を地域別に見ると、米国は次世代技術のリーダーであり、インフレ削減法がさらなる推進力となり、DOEも超党派インフラ法を通じてSila NanoやGroup14 Technologiesなどの企業や新興企業に資金を提供している。欧州でもバッテリー産業や新興企業の成長が見られるが、大手バッテリー・メーカーや素材企業の存在感が強いため、アジアでの開発が過小評価されている可能性が高いことに留意する必要がある。本レポートでは、新しいリチウムイオン材料を使用することによるコストへの影響に関する分析とともに、さまざまな技術プラットフォームにおける各プレイヤーのタイムラインと生産計画を紹介している。本レポートは、特定の技術に関与する企業を網羅した多数の企業プロフィールで補完されている。
バッテリー新興企業の地理的分布 出典:IDTechEx
IDTechExのレポートは、開発・商業化されている様々な次世代リチウムイオン技術の評価を提供している。本レポートでは、シリコンとリチウム金属アノード、マンガンリッチ正極、超高ニッケルNMC、LMFP、最適化されたセルとバッテリー設計など、先進的な次世代リチウムイオン電池における主要な技術進歩の多くを取り上げ、分析している。各技術の主要企業や新興企業の詳細を概説し、次世代負極および正極材料について、対応可能な市場と予測を提供する。
主要な側面
本レポートは以下の情報を提供します:
目次
Summary
この調査レポートでは、シリコン負極、リチウム金属負極、正極材料と合成開発、固体電池の紹介など、先進的な次世代リチウムイオン電池の材料と設計の詳細な分析、動向、開発状況を掲載しています。
主な掲載内容(目次より抜粋)
Report Summary
The global market for Li-ion battery cells alone is forecast to reach US$380 billion by 2034, driven primarily by demand for battery electric cars and vehicles. Improvements to battery performance and cost are required to ensure widespread deployment of electric vehicles and to enable longer runtime and functionality of electronic devices and tools, leading to strong competition in the development of next-generation Li-ion technologies. This report provides in-depth analysis, trends and developments in advanced and next-generation Li-ion cell materials and designs, including silicon anodes, Li-metal anodes, cathode material and synthesis developments, an introduction to solid-state batteries, amongst other areas of development. Details of the key players and start-ups in each technology space are outlined and addressable markets and forecasts are provided for silicon, Li-metal, and cathode material shares.
Li-ion demand forecast. Source: IDTechEx.
Historically driven by demand for consumer electronic devices, the EV and stationary storage markets have become increasingly important. While numerous battery and energy storage options are becoming available for the stationary energy storage market, the high energy density requirements of electronic and portable devices, and electric cars and vehicles, ensures that Li-ion batteries will remain the dominant battery chemistry. However, improvements are still sought after. For consumer and portable devices, longer run-times and faster charging capabilities are needed to keep up with increasing computing power and offer greater functionality. For the potentially lucrative EV market, longer range, short charging times, and of course lower costs and prices are still key to widespread adoption. The battery electric car market is of course a key target for many battery technology developments, offering the opportunity to supply a market where battery demand is forecast to grow beyond 2700 GWh by 2030. Certainly, the development of advanced and next-generation Li-ion technologies will be critical to various sectors, as well as for battery companies aiming to succeed or maintain their place in the market.
Design schematics of lithium-based cell chemistries. Source: IDTechEx.
Anodes
New anode materials offer the chance of significantly improved battery performance, particularly energy density and fast charge capability. Two of the most exciting material developments to Li-ion are the development and adoption of silicon anodes and Li-metal anodes, the latter often but not always in conjunction with solid-electrolytes. The excitement stems primarily from the possibility of these anode materials significantly improving energy density, where improvements of 30-40% over current state-of-the-art Li-ion cells are feasible. Enhancements to rate capability, safety, environmental profile, and even cost, are also being highlighted by developers. However, shifting from the use of silicon oxides as an additive to higher weight percentages, and the use of lithium-metal anodes have posed serious problems to battery cycle life and longevity, which has delayed and limited commercial adoption so far. This report covers and analyzes the solutions being developed and provides coverage of the various companies aiming to commercialize their high energy anode materials and designs. The report also provides coverage of high-rate anode materials based on metal oxides such as LTO and niobium anodes.
Cathodes
While new cathode materials are expected to provide improvements over incumbents and direct competitors, they are likely to be relatively small, and unlikely to push the performance envelope of Li-ion batteries significantly. Instead, cathode development can help to optimize and minimize the trade-off inherent in deploying one chemistry over another. Material costs and supply chain concerns also play a critical role in the development of next-generation cathodes materials. For example, companies continue to push nickel content in NMC cathodes to maximize performance and reduce cobalt reliance, LMFP cathodes offer a higher energy density than LFP whilst maintaining a similar cost profile, while Li-Mn-rich cathodes can provide similar energy densities to NMC materials whilst reducing cobalt and nickel content. IDTechEx's report provides an appraisal of the various next-generation Li-ion cathode materials, highlighting their respective strengths and weaknesses and the value proposition they offer, or could offer, to specific applications and markets.
Cell and battery design
Developments to cell and battery pack design can play a similarly important role in ongoing performance gains. At the cell level, electrode structure, current collector design, electrolyte additives and formulations, and the use of additives such as carbon nanotubes will continue to play a role in maximizing Li-ion performance across various applications. At the pack level, cell-to-pack designs are becoming increasingly popular for electric cars as a means to optimize energy density and are being developed by players such as BYD, CATL, and Tesla, amongst others. More innovative battery management systems and analytics also represents a key route to battery improvement, offering one of only a few ways to improve performance characteristics including energy density, rate capability, lifetime, and safety simultaneously - a feat that is notoriously difficult to achieve.
Commercialization
Current Li-ion materials processing and cell manufacturing is dominated by Asia and China. While the US and Europe in particular are now looking to develop and nurture their own battery supply chains, one route to capturing and domesticating value could be to lead the way in innovation and next-generation technology development. Here, the US and Europe fare slightly better. Looking at start-up companies by geography, as a proxy for innovation, and the US comes out as a leader in next generation technology with the inflation reduction act providing further impetus with the DOE also providing funding via the Bipartisan Infrastructure Law to companies and start-ups such as Sila Nano and Group14 Technologies. Europe is also home to a growing battery industry and start-up landscape, though it needs to be noted that development in Asia is likely under-represented given the stronger presence of major battery manufacturers and materials companies. Timelines and production plans from various players across different technology platforms are presented in the report alongside analysis of the cost impact of using new Li-ion materials. The report is complemented with a large number of company profiles covering company involvement in a particular technology.
Geographic distribution of battery start-up companies. Source: IDTechEx
IDTechEx's report provides an appraisal of the various next-generation Li-ion technologies being developed and commercialized. This report covers and analyzes many of the key technological advancements in advanced and next-generation Li-ion batteries, including silicon and lithium-metal anodes, manganese-rich cathodes, ultra-high nickel NMC, LMFP, as well as optimized cell and battery designs. Details on the key players and start-ups in each technology are outlined and addressable markets and forecasts are provided for next-generation anode and cathode materials.
Key aspects
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