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リチウムシリコン電池の市場規模は、2022年の1000万米ドルからCAGR48.4％で成長し、2030年には2億4700万米ドルに達すると予測されています。電池メーカーは、実用化に向けてリチウムシリコン電池の厳格な研究開発に取り組んでいます。負極用のシリコン材料の開発には複雑なプロセスが必要であり、拡張性と効率性はまだ確保されていません。一部の企業は、シリコン負極を実現可能かつスケーラブルに製造するために、さまざまな技術を試みています。Amprius Inc.（米国）やNexeon Corporation（英国）などの大手企業は、シリコン負極電池と、より優れた機能を持つ負極材料の開発に取り組んでいます。これらの企業が多様なアプリケーションで使用される高度なシリコン負極電池を発売するためのイニシアチブは、様々なエンドユーザー産業からの需要を促進することが予想されます。
牽引要因：リチウムシリコン電池のエネルギー密度の向上
黒鉛負極を備えたリチウムイオン電池は高効率で、小型家電から大規模なグリッドエネルギー貯蔵システムまで、さまざまな用途で使用されています。しかし、電池メーカーは、黒鉛の供給を中国に依存しているため、供給の遅れに直面しています。研究者は、今後数年間、黒鉛の需給ギャップが大きくなると予測しています。また、黒鉛は効率が良い反面、エネルギーの供給速度が遅く、コンパクトで大容量な用途には向かないため、シリコンなどの代替材料が注目されています。
負極にシリコンを添加することで、電池のエネルギー密度を高め、容量を増やすことができます。黒鉛負極では6個の炭素原子が1個のリチウムイオンを取り込むのに対し、シリコンは1個の原子が最大4個のリチウムイオンを取り込むため、主材料をシリコンに置き換えることでイオン吸収容量を向上させることができます。シリコン負極は、他の金属負極に比べてエネルギー密度が高いため、リチウムイオン電池を大きく変える可能性があります。グラファイトの約10倍の電子を保持することができるため、リチウム イオン電池のエネルギー密度が 20%から40% 高くなります。
抑制要因：シリコンの膨張特性と電池の破損の可能性
リチウムイオン電池は、家電製品、エネルギー貯蔵システム、電気自動車など、さまざまな用途でその費用対効果や性能が実証されています。一方で、長時間の充電ができないため、長距離を走行する電気自動車には使用できません。エネルギー容量の問題を克服するため、より性能の良いシリコン材料を用いて容量と電池密度を向上させる研究が進められてきました。しかし、シリコンには材料が膨張するという問題があるため、満充電になると通常の300%まで膨張し、電極の外装を壊してしまう可能性があります。シリコンの膨張は、特に最初の充電サイクルにおいて、電池に構造的損傷を与える可能性があります。現時点の研究では、エネルギー密度を高めるためにグラファイト電極に少量のシリコンを添加することは、安全で信頼性が高いと報告されています。しかし、十分な安全性が確保されるには、さらなる研究が必要となります。
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