シリコンの時代が到来…電池にも

30 年前にリチウムイオン電池が商用デビューして以来、このポータブルで高密度 (そしてノーベル賞受賞) のエネルギー貯蔵技術は、家庭用電化製品、電気自動車、および大規模エネルギー貯蔵の分野に革命をもたらしてきました。 しかし、技術の大幅な進歩（たとえば、1991 年から 2018 年の間に価格が 30 倍という驚異的な下落）にもかかわらず、最大の改善は主にリチウム金属酸化物の正極側で行われています。 対照的に、リチウムイオン電池の黒鉛負極はほとんど変わっていません。

シリコンは重量でグラファイトの10倍のリチウムイオンを保持できるため、アノードの媒体として長い間有望視されてきました。 実際、リチウム電池の負極としてのシリコンの使用が初めて記録されたのは、グラファイトの使用より 7 年も前です。 しかし、この元素を使った実験は、リチウムイオンを充填した際のアノードの体積膨張や、アノードの伸縮時に生じる可能性のある材料破壊などの技術的な課題に悩まされてきた。

しかし、約 15 年間にわたる漸進的な改良と打ち砕かれた希望を経て、ついにシリコンが電池の主力材料となる時代が到来しました。

「シリコンは情報を保存する方法を変えましたが、今ではエネルギーを保存する方法も変えています。」 – Rick Costantino、グループ 14

一部の自動車メーカーとシリコン陽極新興企業は、10年半ばまでに実用化される可能性のある長距離、低コストのEVを生産するために提携している。 カリフォルニア州パロアルトにあるゼネラル・モーターズとワンディー・バッテリー・サイエンス社は、ワンディー社のシリコン・ナノテクノロジーをGMのウルティアム・バッテリー・セルに導入している。 カリフォルニア州アラメダに本拠を置くSila Nanotechnologiesのシリコンアノードは、2021年からWhoopフィットネストラッカーに搭載されており、2026年までにメルセデスGクラスSUVに搭載される予定である。ワシントン州ウッディンビルにあるGroup14 Technologiesは、そのシリコン電池をセットアップする予定である。来年までにポルシェEVを発売する。

2022年後半、Group14、Sila、およびカリフォルニア州フリーモントのAmprius Technologiesは、米国エネルギー省から2億5,000万米ドル、Group14にはさらに2億1,400万ドルの民間投資を加えて、アノード材料の商品化に向けて5億ドル近くを調達した。 。 3社とも今後数年以内に国内でギガワット規模の工場を稼働させる計画だ。 Group14は4月にワシントン州モーゼスレイクで20ギガワットの発電所の建設を開始した。

「シリコンは情報の保存方法を変えましたが、今ではエネルギーの保存方法も変えています」と Group14 の最高技術責任者 Rick Costantino 氏は述べています。

シリコンは、今日のグラファイト陽極を備えたバッテリーを備えたEVよりも長距離、高速充電、そしてより手頃な価格のEVを約束します。 より多くのリチウムイオンを吸収するだけでなく、バ​​ッテリーの膜を介してリチウムイオンをより速く移動させます。 そして、地球の地殻に最も豊富に存在する金属であるため、より安価でサプライチェーンの問題の影響を受けにくいはずです。 現状では、ほぼすべての黒鉛陽極材料が中国で加工されています。

テスラはバッテリーの負極に最大5パーセントのシリコンを添加したと伝えられている。 しかし、シリコンアノードの新興企業はさらに先を目指している。

研究者が最初にリチウム電池の負極用シリコンの研究を始めたとき（上記のように、黒鉛が妥協案になる前の 1976 年）、充放電中のシリコンの急激な膨張と収縮により、負極はすぐに崩壊してしまいました。 また、有害な副反応により充電中のプロセスが複雑になり、バッテリー寿命も短くなります。

テスラを含む一部の商用電池メーカーは、少量（通常は最大 5 パーセント）のシリコンを添加することで、電池の負極のリチウム保持容量を高めています。 しかし、シリコンアノードの新興企業はさらに先を目指している。

彼らのほとんどは、膨張と副反応の問題の回避策としてナノ加工シリコンに注目しています。 スタンフォード大学材料科学教授 Yi Cui と彼の研究室は、膨潤に耐えるシリコン ナノワイヤに関する 2008 年の Nature Nanotechnology 論文でこの分野の研究を開始しました。 他の研究者はすぐにこれに異なるスピンを加え、球状のシリコンナノ粒子、シリコンのコアとその周りに保護コーティングが施されたコアシェル型の粒子、およびエッチングされた表面を持つシリコン粒子を使用しました。