CATLのCondensed battery(凝集態電池)は何が凄いのか？

CATLは2023年4月19日に上海モーターショーで最先端のバッテリー技術である「Condensed battery(凝縮型バッテリー,凝集態電池)」を発表しました。

このバッテリーは最大500Wh/kgのエネルギー密度を持つとされ、EVの航続距離の課題を解決することが期待されています。一方で、あまりに高いエネルギー密度をどう実現したのか、疑問に思う声も聞かれます。

本稿では、技術者の視点から、Condensed Batteryの構造と、ほか電池との性能の比較、CATLがどのようにしてエネルギー密度を高めたのかを解説します。

CATLのcondensed batteryとは何か？

CATLのcondensed battery(凝縮型バッテリー)は、電解質を半固体にした電池で、一部では半固体電池とも呼ばれます。

「Condensed」は、固体や液体の凝集状態にある物質を指します。半固体(ゲル状)の電解質を用いることから、このように呼称されていると考えられます。

CATL の凝縮型バッテリーは、液体と固体の中間にあたる半固体の電解質を用いています。ゲルのようなもので、粘性の高い液体に電解質の粒子粉末が含まれます。

CATLはこの半電解質について、「導電性の高い、生態を模した凝縮状態の電解質」と呼んでおり「鎖間の相互作用力を調整できるミクロンレベルの自己適応型ネット構造を構築」しているとします。

電解質を半固体にする試みは以前から研究されています。

電解質を半固体にすることで、製造が容易となり、電極と電解質の界面の抵抗を低減できることが分かっています。

CATLのCondensed batteryのエネルギー密度は500Wh/kg

CATLのCondensed batteryは、500Wh/kgという高いエネルギー密度を実現しています。以下のグラフで、他社電池などと比較しました。

一般的にEVに用いられる電池は、ニッケル系リチウムイオン電池で、エネルギー密度は約250Wh/kgです。Condensed Batteryは、従来の電池の2倍のエネルギー密度を持ちます。

半固体電池としては、2021年に中国の自動車メーカーであるNIOが半固体電池を発表しており、エネルギー密度は360Wh/kgでした。

CATLのCondensed batteryはNIOを上回ります。

また、次世代電池として期待される全固体電池のエネルギー密度(米QuantumScape発表値)も凌ぎます。

この電池が、車載として用いられるようになれば、EVの航続距離の問題を大きく前進させる技術になることは間違いありません。

どのようにしてエネルギー密度を高めたのか？

CATLは、どのような工夫をして、高いエネルギー密度を実現するCondensed batteryを実現したのでしょうか？

電池のエネルギー密度を上げるためには、電解質ではなく電極の性能向上が必要です。

CATLの発表では、電解質の改良に加えて、正極・負極のエネルギー密度も向上させているとのことです。

それ以上の具体的な情報は発信されていませんが、電池の高エネルギー密度を実現する手法は限られているため、ある程度は予測が可能です。

中国の自動車メーカーNIOは、2021年に同じく半固体電池を発表しています。その際、電解質と電極の構成について触れており、この情報からCATLの凝集態電池の構成もある程度予測できます。

NIOの半固体電池は、負極にシリコンとカーボンのコンポジット材料を用いて、高容量負極を実現したとしています。同様に、正極のニッケル量を増やすことで、正極容量も増やしています。

CATLも同様の路線で開発を進めているものと考えられます。

革新的な正極材料を短期間で開発することは困難です。

今回のCATLの電池のように高いエネルギー密度を実現するには、正極のNi比率を上げることが最も効率的な手法です。

負極に関しては、Siとカーボンの複合材を使うほかにも選択肢はありますが、正確な情報を予測することは困難です。

用途と量産開始時期

CATLは公式に、この電池の用途を「航空機向け」および「車載向け」としています。

航空機向けでは、航空機の安全性と品質要件に沿った「航空レベルの規格とテスト」を実践しているとしており、量産時期を明言していません。

車載向けに関しては、「自動車グレードのCondensed Batteryを2023年年内に量産を開始する予定」としています。

CATLのCondensed batteryは安全なのか？

CATLのCondensed batteryは、航空機用などのように、高い安全性が求められる分野でも使用されるため、非常に安全性が高いことが要求されます。

固体電池や半固体電池は一般的に安全であり、液系よりも発火の可能性が低いとされていますので、CATLのCondensed batteryも同様に安全性が高いと考えられています。

CATLのCondensed batteryのコストパフォーマンスは？

CATLは、公式にコストについて触れていません。以下では、筆者の所感を述べます。

一般的に、高エネルギー密度を実現することは、研究開発費や製造コストを押し上げることになります。

500Wh/kgという高エネルギー密度を実現するために、電解質を半固体に、負極をSiとカーボンの複合材に、正極をNiリッチな三元系に変更すると仮定すると、いずれもコスト増になります。

最も分かりやすいのが正極のニッケル比率を押し上げることで、レアメタル使用量の増加がそのままコスト増につながります。

負極及び電解質は、そもそもの材料開発および製造工程の確立が必要で、特別に大規模ラインを設置するのであれば、それだけで莫大な投資が必要になります。

これらを加味すると、液系の電池のコストを下回るとは考えられません。そのため、最初の用途は航空機や、一部商用車に限られるのではないかと考えられます。

まとめ

CATLのCondensed batteryは、最大500Wh/kgのエネルギー密度を持ち、半固体電池に近い性質を持っているため、電気自動車および電気飛行機の分野において非常に有望であるとされています。

CATLは、現在パートナーと協力して電気旅客機の開発を行っており、航空レベルの安全性と品質の要件に従って航空レベルの基準と試験を実施しています。

CATLのCondensed batteryは、他の技術と比較してエネルギー密度が高く、安全性も高いため、バッテリー分野において大きな飛躍を遂げることが期待されています。

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