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NICKEL

ニッケルとその用途に関する専門誌ニッケル 2023 年 38 巻 3 号

先頭を走るニッケル充電式航空バッテリーのニッケル

スタンリー・ウィッティンガム博士とバッテリー談義

工業用純ニッケル：優れた耐食性

モジェスキ・アンド・マスターズ

ケーススタディ29 アイオワ・イリノイ記念橋

ISSDA

これはアイオワとイリノイの二つの州が行った投資としては、過去最大規模のものです。10 億米ドルを投じたこのプロジェクトの優先課題は？ 100 年の寿命を持つように設計された橋を建設し、クワッドシティーズのリバーフロントを美しく一変させる象徴的なランドマークを作るということが課題でした。

このアーチは、ニッケル含有 A S T M A 7 0 9 H P S 7 O Wと A S T M A 7 0 9 HPS50W 鋼を使用しており、フッ素樹脂コーティングシステムでコーティングされています。アンカーとカップリング・ナットの材質は降伏強度 116-ksi の 2507 系（UNS S32750)二相ステンレス鋼で、メンテナンスの必要性を減らし、アーチの耐用年数を延ばすことができます。床システムには無被覆の耐候性鋼が使用されました。橋床板の鉄筋にもステンレス鋼が使われました。

ニッケル 2023 2023 年年 38 38 巻巻3 3号号 22 || ニッケル

元からあった双子橋は、大勢の人であに挟まれた状態で建設を円滑に進めふれんばかりの地域で増え続ける交るため、ルンダ社は米国中西部で橋通量を円滑に処理することができなくの建設に使われた中では最も高い自なっていました。最初の橋は 1930 年立式タワークレーン（高さ 400 フィー代に建設され、それから 1959 年に双ト）を 2 基持ち込みました。子橋として再整備されました。路肩は高さ245フィートのバスケットハンドなく、車線幅も現代の基準からするとル型アーチを持つ橋の建設には、高標準以下でした。アイオワ州およびイ品質の材料と最新の技術が必要でしリノイ州運輸局、エンジニアリングとた。これを組み立てるため、インダスインフラ設計を手がけるアルフレッド・トリアル・スチール・コンストラクショベネシュ・アンド・カンパニー、モジェン社は、インディアナ州ゲーリーの工スキ・アンド・マスターズのチームが協場で2本のスパンそれぞれに 30 個の力して、支柱を最小限に抑えた鋼鉄溶接したスチール製箱型セクション製の真のアーチ形状「バスケットハンを製作しました。アーチ部分は、はしドル」を設計しました。けやトラックに積み込まれ、クワッドシティーズに運ばれました。この2つゼネコンのルンダ建設株式会社がのスパンには、合計 3 万 5,000 トン以 2017年に着工した橋は、2021 年末に開通しました。工事中、二つの州をつ上の構造用鋼材が使用されています。なぐ交通のスムースな流れを妨げなこの交通基盤プロジェクトは、全米いためには緻密な段階施行と独自の交通賞（America’s Transportation 建築手法が不可欠でした。二つの橋 Awards）の最優秀賞を受賞しました.

論説：先頭を走るニッケルヴィクトル・ユーゴーはかつて、「時宜を得たアイデアほど強力なものはない」と言っています。バッテリー技術、特に電気の未来への移行におけるその役割は、まさにそのようなアイデアです。ニッケル協会の電池専門家であるパヴィン・アデリ博士は、2023 年 7 月に開催されたニッケル協会の「バッテリー・デイ」イベントでこのように切り出しました。この催しについては、5ページに詳しく書いてあります。

EVIATION ILLUSTRATION

「バッテリー・デイ」では、ニッケル含有電池に関する最新情報が豊富に得られ、今回の『ニッケル』誌の編集にもインスピレーションを与えてくれました。ニッケル含有電池は、エネルギー貯蔵と輸送の未来を形作るものであり、ニッケルの電池が、より環境にやさしく、よりつながりの強い世界へ向けての挑戦を推し進めているのです。ニッケルベースの化学物質は、電気自動車分野のバッテリー容量のほぼ 3 分の 2 を占めており、輸送用の新しい用途が絶えず開発されています。可能性は無限大。まさにその通り！運輸関連の CO2 排出量の約12％を占める航空は今、注目を集めています。将来、バッテリーで動く航空機が一般的になる可能性はあるのでしょうか？本号では、航空機の電動化を目指す上での進歩と課題について考察します。スタンリー・ウィッティンガム博士が、1970 年代からの自分とバッテリーとの歩みと、2019 年にリチウムイオン電池を開発してノーベル化学賞を受賞するに至った幾つかのブレークスルーについて話します。彼と、彼の共同研究者であるジョン・グッドイナフ博士と吉野彰博士の研究は、今日のバッテリー技術の大きな基礎となっています。

ジョン・グッドイナフ吉野彰

スタンリー・ウィッティンガム

ジョン・グッドイナフ博士、吉野彰博士、スタンリー・ウィッティンガム博士は、リチウムイオン電池開発の功績により、2019 年のノーベル化学賞を受賞しました。

そして、私たちの解説シリーズ「なぜニッケル？」では、テーマはもちろんバッテリーです！ニッケル誌の本号の焦点はバッテリーということになるでしょうが、ニッケル含有材料の他の用途も忘れてはなりません。素晴らしい「サーモン・アイ」のことを知りたければ、裏表紙をご覧ください。これは、持続可能な海の幸を世界にもたらす方法の推進と情報を与えるためのプロジェクトなのです。時宜を得たもう一つのアイデアです。クレア・リチャードソンニッケル誌編集長ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 3

ケーススタディ29 アイオワ－イリノイ記念橋

論説先頭を走るニッケル

ニッケルの注目話題

電動航空機

NICKEL

NOTABLES

ニッケル・ニュース

離陸間近か？

EV用固体電池

バッテリー談議スタンリー・ウィッティンガム博士にインタビュー

ニッケルベース合金工業用純ニッケル

水素電池のヘルパーこれは、水素燃料電池をよりクリーンで費用対効果が高く、効率的なものにするための重要な一歩です。中国科学技術大学（USTC）の研究チームは、アンモ

技術に関する Q＆A

なぜニッケル？

アノード触媒を開発しました。白金担持カーボン（Pt/C）触媒は、性能劣化を

UNS詳細

引き起こすアンモニア被毒に弱いことが実証されています。研究チームは、こ

サーモンの目

の問題に取り組むにあたり、効率的な水素酸化触媒であるモリブデン・ニッケ

水上設置

ル合金（MoNi4）に、ニッケルサイト周辺の電子を濃縮してクロムをドープする

ニア（NH3）毒性に強いニッケルベースの陰イオン交換膜燃料電池（AEMFC）

ことでアンモニアの吸着を大幅に弱めることができました。研究結果は米国化 Nickel magazine はニッケル協会が発行しています www.nickelinstitute.org

学会誌に掲載されました。

ハドソン・ベイツ博士（社長）クレア・リチャードソン（編集長） communications@nickelinstitute.org 寄稿者：Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Colin Mackay, Geir Moe, Kim Oakes, Odette Ziezold

記載事項は読者に対する一般情報としてまとめられたもので、これに基づく具体的適用もしくは判断根拠とすることにつきましては専門的意見を聞いてください。記載事項は技術的に正確であるとされていますが、ニッケル協会、その会員、職員及びコンサルタントはこれら事項の一般的あるいは特定目的の適用についての適合性について保証するものではなく、記載に関するあらゆる責任・責務を負うものではありません。 ISSN 0829-8351 Hayes Print Groupによりカナダで再生紙に印刷ストック画像クレジット: 表紙：iStock©Just_Super 13㌻ Shutterstock©Lakeview Images

4 | ニッケル 2023 年 38 巻 3 号

米国化学会誌 (2023年)。DOI: 10.1021/JACS.3C06903

デザイン：コンストラクティヴ・コミュニケーションズ

黄金に輝く発見 UNSPLASH+

ウィーン工科大学の物理学者たちが、熱を電気エネルギーに効率的に変換するために使用できるニッケル-金合金の優れた熱電特性を発見しました。従来の半導体を凌駕するこれらの金属のユニークな組み合わせにより、高い導電性と大きなゼーベック係数が得られます。磁性金属であるニッケルと貴金属である金を混ぜることで、電子特性を根本的に変えることができました。ニッケルを約 10％添加すると、金の黄色っぽい色が消えると同時に、熱電性能が急速に向上します。ニッケル原子の特殊な電子特性により、正電荷は負電荷よりも強く散乱され、その結果、高い熱電電圧を生み出すために必要なアンバランスが生じました。この研究の筆頭著者であるファビアン・ガルムローディ氏は、「同じ形状と一定の温度勾配で見ると、既知のどの材料よりも何倍もの電力を発生させることができます」と説明しています。高電力密度は、将来的に大規模分野で日常的に応用できる可能性があり、熱電用途のための他の有望で費用対効果の高い金

日刊科学

属合金の扉を開くことになります。

ビタミン C は良薬人間の健康に良いものが、EV バッテリーのリサイクルにも有効な成分であることが証明されました。バーミンガム大学の研究者たちは、アスコルビン酸を使って高価値の物質を分離する方法を開発しました。このコンセプトをテストするため、少なくとも4万マイルを走行した日産リーフのバッテリーセルを、アスコルビン酸（ビタミンC）などの有機酸で浸出処理しました。ChemRxiv (ケムアーカイブ) に掲載されたこの研究結果は、アスコルビン酸が価値の低い電極材料（マンガン酸リチウム）を選択的に浸出し、価値の高いニッケルやコバルトベースの材料を固体の状態で残し、そこから直接リサイクルできることを実証しました。現在特許を取得しているこのプロセスは、現在のリサイクル方法よりもエネルギー消費量が少なく、有害化学物質の使用量も少ないのが特長です。

強力なプレゼンテーション 2023 年7月、ニッケル協会は、ニッケル含有バッテリー技術の進歩に関する見識と専門知識を共有するために、電池界の聡明な頭脳を集めました。ノーベル化学賞受賞者のスタンリー・ウィッティンガム教授や、ダルハウジー大学の NSERC / テスラ・カナダ・アライアンス助成金主任研究者のジェフ・ダーン博士を含む8人の専門家が講演し、ニッケル含有電池技術について探求し、新たな用途について議論し、リサイクルの役割について検討しました。「バッテリー・デイ」の概要報告書は、ニッケル協会のウェブサイトから入手できます。次回のニッケル協会「バッテリー・デイ」は 2024 年 6 月 6 日に予定されています。 www.nickelinstitute.org ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 5

電動航空機離陸間近か？

温室効果ガス排出量削減の戦いでは、ほとんど全ての輸送手段が化石燃料を動力とする乗り物に代わるものを模索し、実際に採用しています。バッテリー駆動は特に道路運送車輛において大きな役割を果たしています。今までは航空業界はこうした変化にやや抵抗を示していました。しかしながら、航空業界はすでに輸送関連排出量の約12%を占めています。コロナ収束後、航空輸送の需要は旅客、貨物ともに再び急速に増加しています。削減措置をとらなければ排出量はおそらく増加すると見られます。従って航空業界に対し、代替エネルギーの使用により環境への負荷を削減するよう圧力が増しているのは分かります。思いきったデザイン変更が必要

しても重量が減らないことから特に

今まで、当業界は水素燃料や持続可

難点とされています。しかしながらこ

能な航空燃料などのオプションの可

れはいささか誤解を招く説明といえま

能性を探ることを優先してきました。す；電気動力は航空の他の多くの面これはある程度、業界の現状を反映で軽量化につながるからです。したものとも言えます、即ち；航空業

概念実証の提示

界は既に確固たるものとなっているでは、航空業界でバッテリー駆上に；OEMメーカーが従来のジェット動の役割はあるのでしょうか？燃料使用の航空エンジンに適合する

機体を製造する一方、航空エンジンメ PIPISTREL

ーカーは最新の機体に適合する動力装置を製造しています。電気動力装置に変換するには旅客用機体の根本

Pipistrel Velis Electro：世界初の全電動航空機の型式証明を取得、環境的持続可能な航空業を目指す上での重要な一里塚欧州連合航空安全局

答えは明らかにイエスです。実際、軽飛行機の分野では電気動力はすでに現実になっています；単発の二人乗り軽飛行機である

Pipistrel Velis Electro は 2020 年か的なデザイン変更が必要になりますら欧州で運航許可が出ています。従が、これには多額の費用と時間を要し来の軽飛行機と見た目はほとんど変

ます。

わらず、高性能の２基の電池で最大

もう一つの問題として、電池はその重

50分間の飛行が可能です（故障した

量に見合うだけの十分なエネルギー場合でも1基で飛行可能です）。初め密度がないと見られて来ました。これての本格的な電動航空機の認証だけはジェット燃料と異なり、動力を消費ではゲームチェンジャーにはならない

6 | ニッケル 2023 年 38 巻 3 号

かもしれませんが、重要な概念実証

は通常コバルト及びマンガンと組み

にはなっていると言えます。電池を動

合わせるか「NCM」、あるいはコバル

力源とする航空機が稼働可能でありト及びアルミと組み合わせて「NCA」、

今後ニッケルは電気エネルギー密度を増加させることが主たる役割になる事でしょう。

実際に運航している事は議論の余地

使用されます。これらの金属が正極の

がありません。これは新たな開発への

遷移金属層全体に分布していると、一

励みとなっています。

緒に作用して性能が向上します。メー

Joby JAS4-1スペック

理想的な次のステップとしては電池

カー各社はニッケル量を増やすことで

機種：ティルトローター電動垂直離着陸機

のエネルギー密度を高めることです；重量を大幅に増加させずに電池の蓄結果として航続距離が伸び性能が向電容量を高め、総エネルギー密度を上するということです。この分野にお

向上させるということが分かってきま

けるニッケルの役割がさらに高まるとした。航空機用の電池動力の実用性見られます。現在、ニッケルは従来かが証明されたので、この開発は更に大らの航空機で多くの用途があり、特にきな進展につながると思われます。ジェットタービンでは超合金として優れた高温強度、耐食性及び熱安定性

航空用電池の安全性は基本的な問題です。初期のボーイング 787 型機「

を発揮しています。今後の航空分野でドリームライナー」は従来の動力（石は、ニッケルの電池エネルギー密度を油燃料）機種ですが、機内電源に使高める能力が主要な役割になるでしょ

用していたリチウム電池の熱暴走によ

座席数：パイロット＋乗客4名最大離陸重量：4,800 ポンド全長：21 フィート翼幅：39 フィート最大巡航高度：15,000 フィート最大巡行速度：170 ノット（200 マイル／時）航続距離：150 イルまで（130 海里）推進力：電気モーター 6 基、主翼に 4 基、V字尾翼に 2 基。モーターには二重冗長インバーター、可変プロペラ制御、ナセル傾斜及び

る火災に悩まされていました。これは

大幅な進展

地上でも深刻な問題ですが、飛行中

既に就航中あるいは開発中の電動航

は更に大きな問題となります。業界と

空機に搭載されている電池の大多数

してもこうした懸念を認識し、航空機

は、高比エネルギーを得るため高ニ

に使用される認証済みの電池は熱暴

電力／エネルギー貯蔵：リチウムイオン電池 4 パック

ッケル含有化学物質を使用していま

走に対する耐性がある事を示さなけ

す。高比エネルギー電池にはニッケル

–jobyaviation.com

ればならないようになっています。万

©JOBY AVIATION

う。

ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 7

しかしながら他の状況では代替が可能です。電気エンジンはより軽量、静かで可動部品が少ないため信頼性が高く、サイズに関係なく重量出力比は比較的安定しています。この結果、よ著作権（2023年）：MAEVE AEROSPACE B.V.

り大きなエンジンではなく、より多くのエンジンを機体の必要個所に設置することが可能になります。これは電動垂直離着陸機(eVTOL) が現実のものとなりつつあるのを意味します。ほとんど無音で動くエンジンは、エアタクシー、宅配サービス及び緊急サービ一火災が発生した場合でも、それを封

スなど、さまざまな用途の可能性を開

じ込め、他の電池あるいは機体そのもくものです。のに広がらないよう示さねばなりませ

エアバスやボーイングなど既存の

ん。更にこれに伴う考えられるリスク主要企業に加えて、多くの新興を大量の可燃性の高い航空燃料を搭

メーカーも市場参入を狙っていま

載するリスクと比較検討する必要がす。その中には、乗客数が 44～50 人あります。より軽量、より静かそしてより信頼性が高い

航空機用のバッテリーやニッケルの市場潜在性に関しては、単に既存の航空機への適用という観点からだけでなく、より広い視野で見ることが重

Maeve 01 は世界初の定員 44 人以上の電動航空機で、持続可能で環境に優しい空の旅の新たなスタンダードを定めました。充電時間はわずか 35 分で、Maeve 電気航空機は迅速かつ効率的な運航を可能にします。 – Maeve Aerospace B.V.

の Maeve や、9 人乗りの Eviation などがあり、航続距離 250-330 海里の短距離旅客機の製造を目指しています。運航寿命中に前者は30トン後者は 9トンのニッケルを各々使用します。更に、米国のJoby Av iat ionや Archer Aviation、そしてドイツのメーカーの Lilium なども、Velis の製造元

要です。従来からある旅客機は、通である Pipistrel と同様に、エアタクシ常2基のますます大きく、重く、やかまーの開発に取り組んでいます。しくなっている動力装置に頼っているため設計面で膨大な制約がある上に、

電池の市場規模の予測は、主に航空機や電池の数量など、さまざまな要

空港という大きなインフラが必要なこ

因に左右されます。いずれにしても、

ともあり、その配備が決まるまでには

排出量削減目標達成へのプレッシャ

長い時間がかかります。それにも拘らーが高まり、航空輸送の需要が増大しず近々こうした旅客機がフェーズアウていることから見て、ニッケルにとって

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トする可能性はありません；電池はま

のチャンスは大きなものになると思わ

だ代替とはなり得ません。

れます。

EV用固体電池を目指して競争ニッケルリッチな正極を持つ固体電池（SSB）は、近年非常に注目を集めており、その関心は高まり続けています。従来のリチウムイオン電池と全固体電池の最も大きな違いは、電解質が液体から固体に変わったことです。可燃性の有機液体の代わりに固体電解質を使用する固体電池の大きなセールスポイントは安全性です。さらに、固体電池では、リチウムイオン電池で使用されるグラファイト負極の10倍の比エネルギーを持つリチウム金属負極を使用できるため、より高いエネルギー密度を提供できます。

複数の企業が電気自動車に実用的な固体電池を搭載しようと競争しており、人目を引く発表を行っています。トヨタ、NIO (上海蔚来汽車)、ゼネラルモーターズ（GM）、日産、フォード、BMW など、いくつかの自動車メーカーは固体電池を目指しており、バッテリーメーカーと提携しています。

供し、さらに安全性も向上できるというルのエネルギー密度に直接的な影響ことを意味します。また、固体電池には、を与えます。従来のリチウムイオン電電解液充填といったコストのかかるセ池（LI B）では、正極がリチウム金属ル製造工程を省くことができるという酸化物、電解質が有機液体というの利点もあります。が一般的な構成要素で、典型的な負どちらのタイプの電池でも、正極は極材料としてはグラファイトが使われ正極活物質と導電剤（炭素添加剤なています。しかし、理論上のエネルギーど）、場合によってはバインダー（ポリ密度という観点からは、最も望ましいマー系）で構成されています。したがっ負極材料はリチウム金属です。金属リて、固体電池では、リチウム金属負極とチウムは軽量で、すべての元素の中でニッケルリッチ正極を組み合わせるこ最も電位が低いという利点があります。とで、高い実用容量を得ることができつまり、より多くのエネルギーを蓄えるます。高容量ニッケルリッチ正極は固体電池を補完する働きをします。また、ことができるのです。安全性が高いということは、超ニッケリチウム金属は非常に反応性が高く、ルリッチな正極を実装することで、非液体の電解液と組み合わされた場合常に高いエネルギー密度を持つバッテには、極めて重大な安全性の問題が生リーも提供できることを意味します。じることになります。リチウムイオン電固体電池には興奮するような利点があ池とは異なり、全固体電池は液体電りますが、まだ克服されていない技術解質（＋セパレータ）が固体層に置き的な課題もあります。換えられるため、リチウム金属と一体化するためのプラットフォームが用意固体電池を搭載したEVが市場に広くされています。この硬い層が漏れを防採用されるにはまだ道半ばですが、十ぎ、不要な構造の形成を抑えます。さら分に勝機はあります。

電極材料の選択は、自動車用電池セ

2023 年 10 月開催のジャパンモビリティショーに先立つメディア向けイベントで発表された、トヨタ自動車の電気自動車用バッテリーのプロトタイプ。

に、固体電解質は液体電解質に比べ

ニッケルリッチ固体電池は、走行距離熱安定性が高いのも特徴です。これの不安を解消し、電気自動車への移行は、固体電池がより幅広い用途を提を容易にする可能性を秘めています。ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 9

バッテリチャットースタンリーウィッティンガム博士へのインタビュースタンリー・ウィッティンガム博士は、ニューヨーク州立大学の著名な化学の教授であり、リチウムイオン電池の開発につながる先駆的な研究により、2019年にノーベル化学賞を授与されました。ニッケル協会の電池専門家であるパヴィン・アデリ博士が、同博士の長い電池研究の経歴と今後の展望について話を聞くために、取材を行いました。

セバスチャン・ゴルノウ、APイメージズ

Q: あなたのバッテリー研究の道のりを教えていただけますか？なぜバッテリーのキャリアを選び、そしてそれを続けてこられたのでしょうか？

スタンリー・ウィッティンガム博士は、ノーベル化学賞受賞者であり、200以上の論文を主要な学術誌に発表し、16件の特許を持つ、多作にして有能な科学者としての地位を国内外で確立しています。

1970 年代において、注目を浴びていたのは電気自動車、電子機器、電話などの用途のバックアップ用蓄電池であり、大規模なグリッド蓄電ではありませんでした。私はその当時、エクソンで働いておりましたが、同社の志向は石油企業というよりもむしろエネルギー企業であることでした。同社は内燃機関車（ICE）の研究を継続する一方で、電気自動車の研究にも力を注ぎたいと考えていました。

Q: リチウムイオンが母材にインターカレート（吸蔵）されることの発見がエネルギー情勢にとって重要だと気づいたのはいつですか？早くから気づいていました。なぜなら私たちの最初の論文がサイエンス誌に発表されたからで、サイエンス誌に論文を載せることは容易ではありません。私たちが取り組んだ特定の材料は、分子レベルでリチウムイオンを吸蔵できる空間を有する二硫化チタンでした。エクソンは小型電池をいくつ

10 | ニッケル 2023 年 38 巻 3 号

かの用途に向けて製造しましたが、価格の低下とともにエクソンは興味を失い、結局はソニーにライセンスを提供しました。その後、ソニーはすべての電子機器用に充電式リチウムイオンバッテリーを開発しました。現在、このタイプの電池のほとんどは、ニッケル 80%、マンガン 10%、コバルト10% で構成されています。

Q: ノーベル賞の受賞は遅すぎたと思いますか？それについては色々な人からコメントがありました。同時に受賞したジョン・グッドイナフ博士は、ノーベル賞の受賞者として最年長でした。彼の存命中に受賞出来たのは喜ばしい出来事でした。

Q: リチウムイオン電池の開発プロセスで直面した主な課題についてお聞かせください。最大の課題だったのは私たちがすべての発明を手がけたことでした。電池に関するすべての知的財産はアメリカまたはイギリスに帰属していますが、その後、ヨーロッパ人やアメリカ人は製造方法を学ぶために資金を投資し

つい最近のことですが、公的支援としてはニューヨーク州政府から助成金として、古い IBM の建物にプロトタイプ施設を建設するために1億 1300 万ドル、また労働力のトレーニングに 1200 万ドルの資金を受け取りました。これが北アメリカで欠けていたものなのです。

Q: Niリッチ正極材料におけるNbコーティング/置換の影響についての研究に取り組んでおられますが、Nbによる改良は、バッテリー全体の性能にどのような影響を与えるのでしょうか？ 6 0％のニッケルは大気中で安定しており、うまく機能することがわかっています。ただし、ニッケルの含有率が 80％に達すると、空気中での安定性が損なわれます。これにより、バッテリー電解液との反応性が高まるため、容量がかなり早く低下してしまうので、雰囲気をより厳密に制御する必要があります。そこで、価数元素の添加により 80 ％のニッケルの安定化に着手しました。その中で、ニオブが最も効果的であることを発見しました。1％のニオブを添加した 90 ％ Ni（NMC 9055 ）では、数百サイクルに亙って安定した性能を維持しました。それ以上の添加は不要です。ニオブはこれらの正極粒子のクラックを防止し、数百のサイクルにわたって容量の損失がないことが観察されました。これらの結果は、私たちが 2022年に発表したオープンアクセス論文「ニッケルリッチ層状正極材料のニオブ・コーティング/置換による電気化学的特性評価とミクロ組織進展」に詳細が掲載されています。

Q:この研究の次のステップは何ですか？この研究の次のステップでは、様々な

温度条件下での挙動を調査し、サイクル数を 800〜1000 に増やせるかどうか検証します。これは、電気自動車（EVs）向けにより大型のセルを製造するということです。理論的には、高ニッケル正極におけるエネルギー密度は 1,000 Wh/kgに達するはずですが、実際にはセルのエネルギー密度は250 Wh/kgであり、理論値のわずか25％にとどまっています。我々の目標は、500 Wh/kg まで上げて、エネルギー密度を倍増させることです。同時に現在、米国陸軍の資金提供により、高温および低温でのニオブ・コーティングされた NMC の挙動も研究しています。

Q: ビンガムトン校でこれを実現するためのインフラは整っていますか？私たちの所属する大学には、アメリカの大学としては数少ないドライルームとパウチ型セルの製造施設があります。私たちは「バッテリー500」という、国立研究所や学術機関から成る大規模なコンソーシアムの一員として協力しており、密接な連携を保っています。今後、さらなるスケールアップを目指しています。

エビエイション

たくなかったため、全てがアジアに移転してしまいました。私たちが現在直面している最大の問題は、米国内において材料、熟練した人材、製造施設のサプライチェーンが存在しないことです。

Q: 正極に関する説明がありましたが、電解質も同様に重要であると理解しています。異なる電解質がニッケル・リッチな正極に与える影響に関する最近の研究についてお話いただけますか？バッテリー500 プロジェクトでは、グラファイト負極を排除し、代わりに純粋なリチウム金属を採用しています。これはリチウムイオンで現在使われている炭酸塩電解質では、うまく沈着しません。そこで、私たちは新しい電解質を開発しました。これは嘗てのエクソン電解質をベースにしています。新しい電解質は、新しい塩である LiFSI を含有する有機エーテルで構成されています。エーテルから沈着したリチウムは、カーボネートよりもはるかに優れています。

シアトル北部に拠点を置くエビエイション(Eviation)社は、垂直離着陸（VTOL）ではなく、標準の離着陸機能を備えた航空機の設計に取り組んでいます。

私たちはこれらのシステムがどれだけ安定しているかを調査してきましニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 11

反応するのでしょうか？そこで、熱安

規模拡大に取り組んでいます。貴方の見解はいかがでしょうか？

定性の研究に着手しました。バッテリ

過去10 年間、商業用電池の主流は

た。これらはリチウムや高ニッケルと

ー 500 の主な目標は、現在、システム全体の安定性を調査し、望まない副反応とそれらを排除する方法を理解することです。安定性の研究は、1年ほど前に開始され、2 0 2 3 年に最初の論文「ビンガムトン校

リチウムメタルバッテリーにおける、高ニッケル層状正極の優れた構造安定性を伴う長寿命化の実現 ( E n a bl i n g L on g Cyc l i n g w it h E xcel lent St r uc t u re St abi l it y for High-Nickel Layered Cat hodes in Lithium Metal Batteries)」を発表しました。

Q:ニオブドープされたNMC材料の商業化の道筋はどのようになりますか？目標はより高いニッケル含有率を達成することですが、どこまで高くすれば高すぎるということになるのかが問題です。

私の疑念は、すでに誰かがそれに注目しており、それがまだ私たちには明かされていないのではないかということです。そういう人たちが商品化を望めば、ライセンスについて私たちに相談に来るでしょう。すべての詳細は先ほ

⅓ Ni、⅓ Co、⅓ Mn から始まり、次第に 60％ Niに進化してきました。テスラはその中でも EV で高ニッケルの NCA を導入し、初期は 85％ Ni でスタートしており、現在は 90％ Ni に到達しています。最近では NMCA [ニッケル-マンガン-コバルト-アルミニウム酸化物] に焦点が当てられています。目標はより高いニッケル含有率を実現することですが、どこまで高くすれば高すぎるということになるのかが問題です。

Q: EVだけでなく、ニッケル電池が持続可能な未来に貢献できるさまざまな用途について、どのようにお考えですか？ EV 以外の用途では、ドローン向けのバッテリーが挙げられます。さらには、捜索救助や緊急時の人員輸送などが論理的な進展として考えられます。航空宇宙分野などでも応用が期待されます。シアトル北部に本拠地を置くエビエ

ど言った出版物に記載されています。

イション(Eviation)社は、垂直離着陸

Q: 最近のアメリカの 2 つの新興企業が、高ニッケル正極材料（Ni>90％）の

陸機能を備えた航空機の設計に取り

（VTOL）とは対照的に、標準の離着組んでいます。

スタンリー・ウィッティンガム博士は、オックスフォード大学で化学の学士号と博士号を取得し、同大学ニューカレッジの名誉フェローでもあります。彼は 1971 年にベータアルミナに関する研究で電気化学協会の若手著者賞を受賞して以来、リチウム電池分野に深く関わっています。1972 年にエクソン社に入社し、バッテリー反応におけるインターカレーションの重要性を発見し、これがエクソンエンタープライズ社によって製造された初の商業用リチウム二次電池を生み出しました。エクソンでの 16 年間の経験を経て、1988 年に学術界に復帰、ニューヨーク州立大学ビンガムトン校で材料化学のプログラムを立ち上げました。ノーベル化学賞を受賞し、一流の学術誌に 200 以上の論文を発表し、16 件の特許を持つウィッティンガム博士は、国内外で多作な科学者として高い評価を受けています。

12 | ニッケル 2023 年 38 巻 3 号

工業用純ニッケルニッケルは多種のニッケル含有合金のベースになっていますが、単体としてのニッケルはどうなのでしょう？工業用純ニッケル(C.P.) について私たちは何を知っているでしょうか？工業用純ニッケル(C.P.)(最低 99.0%)

苛性蒸発器や晶析装置、熱交換器の

にはニッケル 200 (UNS N02200)及び

U字管及び塩分離装置などです。

ニッケル 201 (N02201)の 2 品種があります。ニッケル201は炭素含有が低く、315 °C (600 °F)以上で操業する場合には黒鉛形成による脆化を防ぐため使用が指定されています。

その苛性ソーダは多くの重要産業で使用されています、例えばアルミの生産に使用されるボーキサイトからアルミナの抽出；紙の生産における木材からのパルプ製造；油脂の石鹸化やレーヨン

工業用純ニッケルは耐食性があり、幾つかの化学処理用途で役に立ちます。特に優れた特徴は、苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）やその他アルカリに対する耐性です。苛性ソーダ中では工業用純ニッケルは溶融状態まであらゆる濃度において優れた耐性を発揮します。50% 以下の濃度では、沸騰溶液中でも腐食程度は無視できるほどわずかです。工業用純ニッケルは苛性腐食に耐えると同時に、不適切な金属汚染を

など人工繊維の製造などです。また工業用純ニッケルは高温の乾燥塩素ガスに対する優れた耐性を備えています。ニッケル 201 の使用上限温度は約 540 °C (1000 °F)です。工

工業用純ニッケルは、極めて高い苛性腐食耐性を有し、かつ同時に不適切な金属汚染を防ぐのに最適な素材です。

業用純ニッケルは塩素生産工程の 250-500 °C (480-930 °F)の範囲における反応器、コイル、撹拌器及び配管に使用されています。ニッケルは多種のニッケル含有合金の

防ぎます。工業用純ニッケルは苛性ソベースになっていますが工業用純ニッーダ生産において広く利用されています。ケルも重要な工業素材です。強度、以上、MPa (ksi)（焼鈍後）品種

UNS

Ni%

降伏強度

引張強度

Nickel 200

N02200

99.0 min

0.15 max

100 (15)

380 (55)

Nickel 201

N02201

99.0 min

0.02 max

80 (12)

345 (50)

ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 13

専門家に聞く技術サポートに寄せられる【よくある質問】

問答

Geir Moe は専門技術士であり、ニッケル協会の技術サポート・サービスの責任者です。同氏は世界各地に配属された素材の専門家らと共に、技術的アドバイスを求めるニッケル含有材料のエンドユーザーや仕様を設定する方々のサポートをしています。同氏の専門家チームは、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケルメッキなどの幅広い用途に関する技術的なアドバイスを無料で提供し、ニッケルを安心してご利用いただけるよう努めています。

質問：ある顧客が医薬品の用途に適した 316L チューブで、より高い硫黄含

有率（0.005‒0.017%）を要望しています。しかし溶接後にドロスが生じます。

なぜ高い硫黄分が必要なのでしょう？また溶接中のドロスの発生を防ぐためにはどのような対策が考えられるでしょうか。回答：硫黄はニッケル含有ステンレス

製薬業界が推奨する溶接方法である

鋼にとって複雑な成分です。ほとんど

軌道ガスタングステンアーク溶接に

の場合好ましくはありません。硫黄は

おいて最適の溶接溶け込みを保証すオーステナイト系の溶接でセンターラるものです。硫黄は収束的な質量流イン割れを生じさせます。硫黄の含有量を促進し、その結果表面の溶接のは塩素による孔食（局部腐食）の温

床で、見苦しい表面欠陥を生むことがありますが特にステンレス鋼が研磨される場合は外観上も好ましくありません。従って、ステンレス鋼メーカ

中心への熱流を促しその後、溶接部の中心部で下方に方向を変え、その結果さらに深い溶接溶け込みを促進します。

ーは硫黄含有量を 0.001% あるいはそドロスは主として溶融プールの表面にれ以下にできるだけ減らすべく大変な浮かぶ硫化物であり、溶融プールの

オンライン版ニッケル誌 WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ニッケル誌の無料購読とウェブサイト掲載のお知らせを希望する場合：www.nickelinstitute.org ニッケル誌を7カ国語でウェブサイトに掲載

努力をしてきました。しかしながら硫

進行に伴い表面に蓄積されます。ドロ

黄は界面活性剤であり溶融プールのスは硫黄分が高いため生じ、溶接終了流れに大きな影響を与えます。時における量は管の直径が大きくな硫黄分を 0.005–0.017 % の範囲とするにつれ増加します。ドロスは避けらることは米国機械学会バイオプロセれませんが簡単にブラシで取り除けス装置規格で規定されており、これは

ます。

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溶接溶け込み

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溶融金属

母材

X でフォローしてください @NickelInstitute LinkedInでつながって下さいニッケル協会のページをご覧くださいニッケル協会You Tube チャンネルでニッケル関連のビデオが見られます www.youtube.com/user/NickelInstitute

14 14 || ニッケルニッケル2023 2023年年38 38巻巻33号号

低硫黄では浅い溶け込み

高硫黄では深い溶け込み

ニッケルはナノワイヤからステンレス鋼合金まで様々な形で存在します。しかし如何なる特性がニッケルを日常品においても不可欠な要素としているのでしょうか？

なぜニッケル？バッテリーの中のニッケル

バッテリー

バッテリーは化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、これによりスマートフォン、携帯用電動工具、自動車などのデバイスに電力を供給します。デバイスのサイズや電力要件に応じて、バッテリーには様々な化学組成、形状、サイズがあります。バッテリーは一つ以上の電気化学セルで構成され、これには二つの電極、すなわち負極と正極、そして電解質が含まれます。二つの電極が電気経路で結ばれると、電子が負極から流れ出て外部デバイスにエネルギーを供給します。

放電中、リチウムイオン（Li+）は負極から電解質を通して正極に移動します。NMC の正極はこれらのリチウムイオンのホストとして機能します。また、正極では、ニッケル、マンガン、およびコバルトイオンが電気経路を通過する電子を受け入れることで還元されます。この反応は逆にも行われ、バッテリーを再充電可能にします。

負極（−）

電解質

なぜニッケル？

リチウムイオン電池は最も広く使用されるバッテリータイプであり、様々な配合があります。NMCはリチウム・ニッケル・マンガン・コバルト酸化物の略で、最も一般的な正極です。

セパレータ正極（＋）

黒鉛リチウムイオン

NMC の特筆すべき特徴は、ニッケルとマンガンを巧みに組み合わせる点にあります。ニッケルは高い比エネルギーを有する一方で、その安定性は低いとされています。これに対してマンガンは低い比エネルギーを持ちつつも、安定性を提供します。この二つの金属を組み合わせることによって、互いの強みがさらに高まるのです。

リチウム金属酸化物

電子

UNS番号別詳細

本誌に記載されたニッケル含有合金およびステンレス鋼の化学的組成（重量パーセント）

UNS

S31254 16㌻

0.020 以下

19.520.5

0.501.00

残分

1.00 以下

6.06.5

0.180.22

17.518.5

0.030 以下

0.010 以下

0.80 以下

S32750 2㌻

0.030 以下

24.026.0

残分

1.20 以下

3.05.0

0.240.32

6.08.0

0.035 以下

0.020 以下

0.80 以下

ニッケル 2023 年 38 巻 3 号 | 15

これはまさにユニークなプロジェクトであり、9,275 個の海水に耐えるステンレス鋼クラッディング部材が、長期にわたる海水への曝露に耐えるように作り上げられました。「サーモンの目 (Salmon Eye)」と名付けられたこの 4 階建てで高さ 23 メートルの浮遊型養殖パビリオンは、2022 年 9 月にノルウェーのハルダンゲルフィヨルドで披露されました。この施設は単なる見事なアートインストールにとどまらず、ワールドクラスの観光・学習センターであり、また高級ダイニングレストラン「アイリス(Iris)」の本拠地でもあります。

セバスチャン・L・トリューセン

SEBASTIAN L. TORJUSEN

サーモンの目、思索の糧

ファサードに使用されているニッケル含有ステンレス鋼は、6% モリブデン（UNS S31254）です。 • 唯一無二の浮遊体験 • 2 隻の電動シャトルフェリーが訪問者をパビリオンに運びます • 基のアンカー • 直径26メートル • 屋上からの330°の眺望

16 ニッケル | ニッケル2023 2023年年3838巻巻3 3号号

水中に一階分のスペースがあるこの構した。浮遊構造を安定化させるために、造物の骨組みは、湾曲H形鋼でできて一階部分にバラストタンクが配置されており、鋼板で覆われています。角をとっいます。た長方形の板が、建物の湾曲した本体この見事な持続可能な建造物は、デンに取り付けられています。銀色の魚のマークのクヴォルニング(Kvorning)デザ鱗に似せてデザインされた小さなステイン社によってノルウェーのサケおよびンレス鋼の部材が、パビリオンの外面マス養殖場イーデ・フィヨルドブルックに周囲の自然を映し出しています。 (Eide Fjordbruk)社のために設計されこの複雑な楕円形構造は、水深 100 メートルの深い湾の水面に浮かび、そのために耐荷重およびエンベロープ構造に特別な要件が求められています。大きなアンカーでフィヨルドの底に係留され、その重量は 1,000 トンで、最大5メートルの波にも耐えるように建造されま

たものです。

このプロジェクトは、海から持続可能な食料を世界に供給する方法について、人々にインスピレーションを与え、情報を提供するために発注されました。まさにこれこそが思索するための糧なのです。