バッテリーで最も高価な材料はカソードで、ユニットのコストの約 3 分の 1 を占めています
非常に複雑なバッテリーでは、世界中から鉱物を採掘する必要があり、環境に害を及ぼします
EVの侵攻は本格化していますが、バッテリーに必要な大量のコバルト、マンガン、リチウムを供給することの影響は、マススイッチを環境的および倫理的な目標にする恐れがありますか?
リチウム イオン バッテリーは非常に複雑なものであると、ワーウィック マニュファクチャリング グループの高度な推進システムの専門家である David Greenwood 氏は次のように説明しています。 スチールやアルミニウムなどの従来のエンジニアリング材料もあれば、電気化学部品である活物質もあります。」
アノード（負極）は通常、シリコンなどの添加物を含むグラファイトから作られています。 グラファイトは、天然 (採掘および精製) または合成のいずれかです。
バッテリーで最も高価な材料はカソード (正極) で、バッテリー全体の約 3 分の 1 のコストです。
「使用される材料はさまざまです。長距離車両に適したものもあれば、安価な短距離車両に適したものもあれば、その中間のものもあります」と Greenwood 氏は言います。
「主要な化学物質はニッケル-コバルト-アルミニウムです。 [NCA] およびニッケルコバルトマンガン [NMC].
「ニッケルは主要な供給問題ではありません。エンジニアリング産業向けにすでに大量に生産されており、ステンレス鋼やその他多くのものに使用されています。 コバルトは問題児。 そのほとんどはコンゴ民主共和国から来ています [DRC]. 約 70% は、世界基準で運営されている大企業の鉱山会社からのものですが、約 30% は、十分に規制されておらず、人道上の懸念がある小規模な非公式の鉱山からのものです。」
しかし、コバルトの量は減っています。 NMC バッテリーには、かつてニッケル 6 部、コバルト 2 部、マンガン 2 部 (622 として知られる式) が含まれていた可能性があります。 今日、最先端のバッテリーでは、コバルトとマンガンの量が半減し、ニッケルが 9、コバルトが半分、マンガンが半分になっています (811 または 955 として知られています)。
コバルトを含むバッテリーは通常、長距離または高性能車両で使用され、最近までローエンドおよびミッドレンジの車両でも使用されていました。 現在、第 2 のカテゴリーであるリン酸鉄リチウム (LFP) バッテリーが登場しています。 NMC よりも容量が小さく、効率も劣りますが、ニッケルやコバルトは含まれていません。 LMFP バッテリーを製造するためにマンガンで「ドーピング」すると、性能が向上します。
将来的には、2 つのバッテリー カテゴリが存在する予定です。 1 つ目は、長距離および高性能車両向けの高エネルギー密度 NMC バッテリーと、低コストの中距離車両向けの 2 つ目の安価な LMFP バッテリーによって支配されます。
長期的には、「LFP はナトリウム イオン電池に取って代わられるかもしれません。 ハイエンドで最も確実性の低いテクノロジは、ソリッド ステートです。 非常に有望ですが、まだ本番環境には対応していません。 全固体電池が市場に出回るまでには、少なくとも 5 年、あるいはおそらく 8 年はかかるでしょう。」
既存の技術が依存している鉱物のうち、最も物議をかもしているのは、非常に豊富なリチウムと、はるかに希少なコバルトの 2 つです。
Benchmark Mineral Intelligence のデータ チーフである Caspar Rawles 氏は、リチウムは 2 つの方法で採掘されると説明しています。
「1つ目は、典型的な硬岩の採掘です。 鉱石は 5.5 ～ 6% の濃縮物に還元され、通常は化学処理のために中国に送られます。」 鉱石は、リチウムを含む結晶性物質スポジュメンを生成します。
2つ目は、サラールと呼ばれる標高の高い塩湖からの抽出です。 「リチウムは時間の経過とともに周囲の地質から浸出され、地面に濃縮されます」と Rawles 氏は説明します。 リチウムが豊富な塩水は地底湖に自然に集まり、大規模な蒸発池にポンプで汲み上げられます。 塩水が十分に濃縮されたら、数年かけて精製し、リチウムを抽出します。
サラーの環境への影響は議論の余地があり、地下から抽出された塩水が地表からの雨水に置き換わり、干ばつを引き起こし、野生生物に影響を与えるという懸念があります.
開発中の新しいプロセスは、将来その状況を緩和する可能性がありますが、商業的に実行可能になるにはいくらか遠いです. 「それは直接リチウム抽出と呼ばれています [DLE]、ロールズは説明します。 「リチウムはブラインからリアルタイムで抽出され、その後、ブラインは帯水層に戻されます。
EV は、リチウムやコバルトなどの鉱物に対する世界的な需要を大幅に増加させるだろう、と Rawles 氏は言います。 この10年の終わりまでに、サプライチェーンを数十万トンから、一部の鉱物の場合は数百万トンに増やす必要があると予想されています。
しかし、鉱業と鉱物生産は新しいものではありません。 それどころか、Rawles 氏は次のように指摘しています。 これらすべては、リチウム、鋼鉄、アルミニウム、銅、コバルトに当てはまります…地面から採掘されたものはすべて、ICE車やEVに使用されます。」
世界のリチウムの半分以上がオーストラリアで採掘されており、採掘は厳しい環境規制の対象となっています。
一方、世界のコバルトの約 60% は、その採掘が物議を醸している DRC から来ています。 「コンゴ民主共和国の課題は、生産量の半分強が、大量の銅とコバルトを生産する工業鉱山からのものであるということです」とロールズ氏は言います。 次に、工業鉱山の小さなグループがあり、3 番目に小さな職人鉱山 (ASM) があります。 「一部の ASM は、素材を抽出する許可がないため、違法に採掘しています。 児童労働の事例もありました。 原則として、手作業による小規模な採掘に問題はなく、何千人もの人々の生活がそれに依存しています。 安全に行われ、特定の基準を満たす必要があるだけです。」
コンゴ政府は、ASM の慣行を規制するための措置を講じており、たとえば、同国最大の鉱山会社である Gecamines による 2019 年の Enterprise Generale du Cobalt の設立を義務付けています。
自動車会社も、バッテリーに使用される原材料のトレーサビリティを確保するために独自の措置を講じています。 グリーンウッドが指摘するように、「自動車業界はサプライ チェーンの管理に全力を尽くしています。 [because] それが望んでいる最後のことは、別のディーゼルゲートです。
メルセデス・ベンツはRCSグローバルにコバルトのサプライチェーンを監査するよう依頼した。 BMW は、DRC が支援する責任あるコバルト イニシアチブの理事会に参加しています。 フォルクスワーゲンは、責任ある鉱物イニシアチブの一環として、コバルトの認証システムに取り組んでいます。 ボルボは 2019 年に共有データ ネットワークを確立し、コバルトを含む材料のトレーサビリティを確保しました。 そして今年 1 月、グローバル バッテリー アライアンスは、製造されたすべてのバッテリーが人権、児童労働、排出に関する基準を満たしていることを確認するためのバッテリー パスポート スキームの概念実証パイロットを開始しました。
最終的に、これらの問題は、リチウムの使用を完全に回避する、環境への影響が少ない新しい技術によって改善される可能性があります。 その一例が、先ほどグリーンウッドが言及したナトリウムイオン電池です。
「ナトリウムは非常に豊富で、海塩や他の多くのソースから摂取できます」と彼は言います. 「これは低コストで、LFP よりも成熟度の低いテクノロジーですが、実現しつつあります。 エネルギー密度は、現在の約 160Wg/kg から 180 ～ 200Wh/kg 程度に改善する必要があります。 最初は据置型アプリケーションに登場し、その後、ボトムアップで自動車市場に進出する可能性があります。」
明らかなことは、バッテリー業界が製造と技術の性能の両方で急速に進化していることです。
「私たちは、発見されたばかりの科学を使用していません」と Greenwood 氏は結論付けています。 「最高のバッテリーの化学的性質は、4 ～ 5 年間だけ最高のものになります。その後、何かが現れてそれを置き換えます。」
バッテリーのリサイクルの拡大
リチウム イオン電池のリサイクルはすでに確立されており、すべての主要な自動車メーカーが、産業企業や WMG のような学術機関とともに追求しているものです。
欧州連合では、バッテリ指令により、使用済みのバッテリの少なくとも 50% をリサイクルする必要があることが既に要求されていますが、Greenwood 氏によると、より厳しい規則が進行中であるため、この数値は改善されつつあります。
「研究は進行中です [the] その上で WMG に連絡し、いくつかの特許を申請しました」と彼は言います。 「10 年の終わりまでに、リサイクル率を 50% から 80 ～ 95% に引き上げたいと考えています。」
将来の規制は、リチウムなどの特定の材料の最小リサイクル量を規定するだけでなく、新しいバッテリーでの最小量のリサイクル材料の使用を義務付ける可能性があります。
リサイクルプロセスには、乾式冶金と呼ばれるプロセスでコバルトのような金属を抽出する炉が含まれます。 水はアノードのリサイクル用の溶媒として使用されますが、カソード材料に使用される有毒な溶媒である N-メチル-2-ピロリジン (NMP) は閉ループに閉じ込められて再利用されます。
最大の問題はリサイクルへの意欲ではなく、原材料の不足です。 第一世代の日産リーフのバッテリーでさえ、非常に堅牢であることが証明されているため、ほとんどのバッテリーは二次利用の定置型アプリケーションに使用されています。