CATLのリン酸鉄リチウムイオン電池(LFP)とは何が凄いのか。全固体電池などと比較

技術系読みもの

中国最大の電池メーカーCATLはリン酸鉄リチウム電池の生産で世界的に圧倒的なシェアを握っており、普及に全力を挙げている。

このリン酸鉄リチウムイオン電池とは何か。

簡単に言うと、ニッケルやコバルトなどの高価な素材の代わりに、鉄とリン酸を使用した廉価版リチウムイオン電池だ。

そのコスト競争力はとても大きく、EV対エンジンの構図に大きな影響を与える。

テスラはCATLからリン酸鉄リチウム電池の供給を受け、上海で製造するmodel3に搭載する事で、中国で販売するmodel3の価格を引き下げることを検討している。

今回は、電池技術の中でも特に重要な位置にいる、CATLのリン酸鉄リチウムイオン電池について紹介する。

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車載電池の種類と性能

各電池の重量エネルギー密度、リン酸鉄リチウム電池はニッケル系に劣る

車載電池として最も使われるのはニッケル系リチウムイオン電池である。

そのニッケル系の廉価版であるリン酸鉄リチウムイオン電池は、廉価版だけあって、(当然?)重量エネルギー密度でニッケル系に劣る。

ただ、その性能はCATLのNaイオン電池や、トヨタのバイポーラ型ニッケル水素電池と同等で、廉価版でありながら他技術に対して重量エネルギー密度で勝るほど、価値のある技術と言える。

リチウムイオン電池の種類

そもそもリチウムイオン電池は、正極に用いる材料によって種類が分けられる。負極は主に黒鉛を用いる。

正極材質量エネルギー密度
[Wh/kg]
車載
コバルト酸リチウム150-240
マンガン酸リチウム200-150
リン酸鉄リチウム160~175
三元系(NMC)150-220〇 主流
ニッケル系(NCA系)240-270◎ 主流

リチウムイオン電池の中で、ニッケルを用いたNMC、NCA系のリチウムイオン電池が主流。

中国で実用化され、廉価版リチウムイオン電池として活用され始めているのが、リン酸鉄リチウムイオン電池(LFP)である。

NMC三元系電池

NMC電池の添加割合の推移予測、ハイニッケル化が予想される。

電極にニッケル・マンガン・コバルト(NMC)を用いる。いずれもレアメタルであり調達リスクを含む。

性能向上とコスト削減の両面から、三元系の中での各構成元素の比率、特にニッケルの構成比率を上げることで、単位当たりエネルギー密度の向上を図る。

また、コバルトの使用量削減する「ハイニッケル化」を進めている。

ニッケル系電池(NCA)

NCA系では、ニッケルベースに構造安定化のためにコバルトを、耐熱性の改善のためにアルミニウムを添加し、また負極にもセラミック層をコーティングすることにより耐熱性を高め安全化している。

テスラの上海工場で生産される車両は、現在はパナソニックやLG化学が製造するニッケル・コバルト電池(NCA系)を使用している。そのうち、model3などの低価格帯の車両について、CATLのリン酸鉄リチウム電池に置き換わっていくものと考えられる。

リン酸鉄リチウム電池(LFP)

コバルト先物価格、変動が激しく価格リスクを含む

リン酸鉄リチウムイオン電池は、レアメタル:コバルトの代替材料として正極にリン酸鉄リチウムを用いる、いわゆるコバルトフリー電池。

コバルトは価格変動が大きく、コスト変動要因として「できれば使いたくない材料」である。また、コンゴ民主共和国から調達されるため、非人道的な採掘条件のためにさらなる精査の対象となっている。

リン酸鉄リチウムイオン電池は、テスラのmodel3の中国モデルに採用を予定しているほか、超低価格EVである宏光MINI EVにも採用されている。

材料は安いが、製造コストがやや高い。結晶構造が強固なため熱安定性が高い。電気伝導性が低いことが課題とされていたが、活物質の微細化と表面の炭素コートの採用により改良されている。

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リン酸鉄リチウム電池(LFP) のメリット

リン酸鉄リチウムイオン電池のメリットとして以下が挙げられる。

・コバルトやニッケルのような極めて希少で価格が変動しやすい原料に依存していない

・安価に製造できる

・長寿命である

・毒性が少ない

非常にメリットが多く、実用的な電池であると考えられる。特に安価に製造できるため、テスラの廉価版モデルに採用されるなど、EV普及の足掛かりとして重要な技術になりうる。

デメリット

・ニッケルベースの電池と比べてエネルギー密度が低い

LiFePOの低い電気伝導性から、性能面ではニッケルベースの電池に劣る。

車載電池のシェア

リン酸鉄リチウムイオン電池(LFP)は、中国でしか生産されていないといっても過言ではない。

リン酸鉄リチウムイオン電池の生産において中国が優位であるのは、中国の大学や研究機関のコンソーシアムにより主要特許を押さえているためである。

ただ、これら特許の存続期間は2022年で満了するため、中国以外のバッテリーメーカーもリン酸鉄に参入してきてもおかしくないが、現状はLG化学SKイノベーションなどは依然としてニッケルベースの電池に集中している。

中国市場での電池シェア 東洋証券レポートより当サイトが作成

20年の中国国内のリン酸鉄リチウムイオン電池シェアは38%と高い。

中国市場での電池シェア推移 東洋証券レポートより橋本総研.com作成

推移をみると、リン酸鉄リチウムイオン電池のシェアは拡大しており、2022年にはニッケル系を上回るとの予測もある。

LFP電池市場のシェア

中国でのLFP電池シェア  東洋証券レポートより橋本総研.com作成

リン酸鉄リチウムイオン電池のメーカーごとのシェア(中国)は、CATLが50%、BYD15%と、これら企業が圧倒的シェアを持つ。

コスト競争力

リチウムイオン電池の平均価格推移(出荷量で加重平均)はコスト目標の100ドル/kWhを達成する目途あり、BloombergNEF作成

CATLは、リン酸鉄リチウムイオン電池について、100[ドル/kWh]以下のコストに抑える事ができていると発表している。

これは驚くべきことで、一般にセルコストの指標として100[ドル/kWh]を下回る事ができれば、EVはエンジン車と同等のコスト競争力となると言われており、リン酸鉄リチウムイオン電池の登場で、バッテリーの関する価格問題はほぼ解決するものと考えられる。

一方で、エネルギー密度が大きくないことは課題として残るため、今後継続して開発が進むことが期待される。

General Motors、Tesla、Volkswagenなどの自動車メーカーは、ハイエンドEVにはニッケルを多く含む電池を採用し、エントリーモデルにはLFPを採用するという傾向が出てきている。

日本でも、この電池を搭載した車両が導入される日も近いだろう。

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