このシリコン負極の画期的な技術は、EVバッテリーにとって転換点となる可能性があります
シリコン負極技術の革新と業界の挑戦
自動車や電子機器と同様に、バッテリー技術も段階的に進化します。時には画期的な進歩があり、また時には年々少しずつ改善されることもあります。
しかし今、大きな飛躍が目前に迫っています。リチウムイオンバッテリーの航続距離延長と急速充電実現を目指す中、業界は長年、電子を蓄える負極材であるグラファイトを、より優れた高エネルギー密度材料で置き換える方法を模索してきました。Group14などのバッテリーメーカーは、理想的なグラファイト代替材としてシリコンに注目。そして今回、相当な概念実証に成功しました。
ポルシェが支援するGroup14テクノロジーは、ニューヨークに本拠を置くバッテリー材料企業シオニック・エナジーと提携し、シリコン負極の開発を進めてまいりました。両社は月曜日、共同研究の結果を発表し、100%シリコン・カーボン負極が高温環境下における充放電サイクル及び保管期間中、安定した性能を達成したと結論づけました。
この負極材は4Ah、10Ah、20Ahのパウチ型電池で試験され、両社は45℃および60℃の環境下でも安定した性能を、4-amp hour、10-Ah、20-Ahのパウチ型電池においてそれぞれ実現しました。
シリコン負極の性能と環境・コスト面の優位性
バッテリーの世界に詳しくない方もご安心ください。平易な言葉で説明いたします。負極とは、充電時にリチウムイオンが蓄積され、放電時に放出される電池の構成要素です。負極は、電池が保持できるエネルギー量と充電速度を本質的に決定する役割を担っています。
グラファイトは、その安定性と高いエネルギー密度から、長年にわたり主要な負極材料として用いられてきました。しかしながら、グラファイトの採掘は環境負荷が高く、コストもかかります。さらに地政学的リスクも伴います。中国は現在も世界最大のグラファイト生産国・輸出国であり、2023年時点で世界のグラファイトの90％以上を加工しています。この高コストで中国依存度の高いグラファイト供給網から脱却し、欧米企業の自立性を高めるため、バッテリーメーカーはシリコンや合成グラファイト（実験室で製造されたもの）などの代替材料の実験を進めています。
欧州カーボン・グラファイト協会によると、負極はバッテリー内で体積ベースで最大の構成要素であり、パック重量の主要な要因となっています。バッテリーにはリチウムや正極活物質（ニッケル、コバルト、マンガンなど）よりも多くのグラファイトが含まれています。これを軽量なシリコン負極に置き換えることで、電池メーカーはバッテリーパック重量を削減できるだけでなく、エネルギー密度や航続距離を損なうことなく、バッテリー全体のサイズを縮小することが可能となります。
シオニック・エナジーのエド・ウィリアムズ社長兼CEOは声明で以下のように述べました
「業界がシリコンの可能性を追い求めながら、複雑性・コスト・開発期間・性能の限界という壁に直面する姿を長年見てきました。だからこそ、これらの壁を突破しシリコンの市場普及を加速させる、当社ベンチマークとグループ14との提携を発表できることを誇りに思います」
実証された高性能と市場投入の可能性
両社は、このシリコン負極により、バッテリーのエネルギー密度が最大400ワット時/キログラム（Wh/kg）を達成可能と主張しています。これは、現在の一般的な200～300 Wh/kgを大幅に上回る数値です。また、この技術は1,200サイクル以上の寿命を持ち「市場投入可能な状態」にあると主張しています。両社は、シリコンがグラファイトに比べて電解液の膨張、セルの膨張、過負荷時の不可逆的な容量低下といった欠点があることを認めつつも、オンライン公開のホワイトペーパーにおいて、シオニック社の独自技術である負極バインダーと設計構造によりこれらの課題を解決したと件しています。
Group14社は、同社のシリコン負極が（サイズや用途により異なりますが）10分未満でバッテリーを充電可能であると主張し、従来のパックと比較して55％多くのエネルギーを供給できるとのことです。同社によれば、この負極材は「ドロップイン」方式を採用しており、あらゆるセル形状や化学組成に対応可能です。これにより、バッテリーメーカーは製造ラインやセルを再設計することなく、既存プロセスに統合できます。シオニック・エナジー社も同様のドロップイン型シリコン負極を開発しており、来年にはEV市場へ、2027年にはエネルギー貯蔵システム市場へ投入される予定です。
シリコン負極電池は既に、中国製ハイエンドスマートフォンにおいて驚異的な容量を実現しており、最新のiPhoneやグーグル Pixelを凌駕する性能を発揮しながらも、端末の厚みを増すことはありません。
EV市場への展開と今後の展望
ここで疑問が生じます。
この技術は量産型EVにおいても同様の成果をもたらすのでしょうか？現時点では、この技術は高性能モデルやハイエンドモデルに限定されています。Group14社のシリコン負極技術は、マクマーティ・スペアリングの100kWhバッテリーに採用されています。この単座後輪駆動ハイパーカーはダウンフォースファンを搭載し、わずか1.5秒で時速60マイル（約97km/h）に到達、1/4マイル（約400m）加速を8秒で達成します。
メルセデス・ベンツは2022年、EQテクノロジー搭載Gクラスにおいて、競合企業Sila社のシリコン負極を実装して、従来型バッテリー比で最大40％のエネルギー密度向上を実現すると発表しました。電動Gクラスの実効容量116kWhはEPA基準で239マイル（約385km）の航続距離を確保。重量6,700ポンド（約3,042kg）の角ばったSUVとしては悪くない数値です。とはいえ、これはバッテリー性能の画期的な進歩を示すものではありません。
とはいえ、この技術が既にスマートフォンで商用化されていることを考慮すると、EVへの本格的な展開もそう遠くないかもしれません。ゼネラルモーターズ（GM）もシリコン負極の開発を進めており、GM幹部は今年初めに、シリコン電池が電池サイズの縮小、軽量化、価格低減に寄与すると述べています。
したがって、自動車メーカーが革新的な全固体技術について大きな主張を続ける一方で、グラファイトフリー電池など、現行のリチウムイオン技術には大きな改善の余地があると考えています。これらの技術は、EVの航続距離延長、急速充電の実現、そしてこれまで以上に優れた性能をもたらす可能性を秘めています。
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