[LMRバッテリー] LG Energy SolutionとGMが選択したリチウムマンガンリッチ（LMR）バッテリー、LFPの代替となるか

電気自動車用バッテリー業界は、価格競争力とエネルギー密度を共に確保するための代替案として、リチウムマンガンリッチ（LMR）バッテリーの開発に乗り出している。LMRは、正極材におけるマンガンの使用比率を高め、ニッケル・コバルトの使用を減らしたバッテリー技術である。ニッケルとコバルトへの依存度を下げて原材料コストの負担を軽減しつつ、リン酸鉄リチウム（LFP）バッテリーよりも高いエネルギー密度を実現することが開発の目標だ。

最近、LG Energy SolutionとGMがLMR角形バッテリーの生産計画を発表したことで、市場ではLMRの商用化の可能性に注目が集まっている。ただし、市場規模はまだ限定的になると予測される。BloombergNEFは、LMR正極材が2027年以降に乗用電気自動車用バッテリーに適用され始め、2035年には乗用電気自動車用正極材の全需要の約3%を占めると見た。S&P Global Mobilityも、高マンガン系バッテリーの大規模な普及は2030年代以降になると予想した。

LMRバッテリーは、リチウムが豊富なマンガン系正極材を使用するリチウムイオン電池である。マンガンはニッケルやコバルトよりも価格負担が低く、供給量が相対的に豊富な元素と評価されている。LMR正極材は、マンガンの比重を高める代わりにニッケルとコバルトの使用量を減らす、あるいは排除することで原価削減を狙う。

また、LMRは既存の正極材よりも多くの電気を蓄えられるように設計されている。マンガン・ニッケル・コバルトなどの金属成分に加え、正極材内の酸素反応まで充放電に活用して貯蔵容量を高める方式だ。三井物産戦略研究所は、LMR正極材が250mAh/g以上の容量を実現できると分析した。これは正極材1gが蓄えられる電力量であり、LFP正極材の170mAh/gより約47%高い水準である。同研究所は、LMRバッテリーのエネルギー密度は理論的に500Wh/kg以上まで可能であるとも見た。現在、電気自動車に使われている商用リチウムイオン電池セルのエネルギー密度は、概ね160~290Wh/kgの水準である。

ただし、LMRバッテリーのガス発生問題は、商用化への課題として残っている。LMR正極材は、充放電を繰り返すごとに結晶構造が変化し、作動電圧と寿命が低下する可能性がある。また、充放電の過程で正極材内部の酸素反応が不安定になると、内部構造の損傷とガス発生につながる。特に、内部空間が制限された電気自動車用の大型セルでは、このガスが内部圧力を高め、性能低下まで引き起こす。

LG Energy Solutionとソウル大学校の研究陣は、ガス発生と寿命低下を減らすために、充電・放電電圧の範囲を調節し、初期活性化工程の温度を下げる方法を提示した。充電と放電の電圧を調整して正極材内部の酸素反応を安定化させ、低温工程によって初期のガス発生を減らす方式だ。研究陣が40Ah級の大型LMRセルに適用した研究結果によると、883回の充放電後でも初期エネルギーの92.2%を維持したと明らかにした。

LG Energy Solutionの関係者は「今回の研究は、LMRバッテリーが直面している主要な課題の一つを解決した」とし、「ガス発生を効果的に抑制することで、大型セルでも安定したバッテリー寿命を確保できることを立証しており、これは次世代LMRバッテリー市場の成長のための重要な基盤を提供する」と述べた。

現在、LMRバッテリーの商用化に最も積極的なのはLG Energy SolutionとGMである。両社の合弁法人であるUltium Cellsは、既存のバッテリーセル生産施設にLMR角形セル生産設備を追加で構築する計画だ。

Ultium Cellsは先月29日、アメリカのテネシー州スプリングヒルの工場にLMR角形セル生産体系を構築すると発表した。同社は既存の生産体系を補完する方式でLMR生産設備を構築する予定であり、今年末から工場の改造と設備のアップグレードに着手し、2028年までに完了させる目標だ。

今回の発表は、昨年5月に両社が提示した共同商用化計画の後続措置である。当時、LG Energy SolutionとGMは、2027年末までにLG Energy Solutionの施設でLMR角形セルの事前生産を開始し、2028年にアメリカで商業生産に入るという目標を提示した。GMはLMR角形セルを将来の電気ピックアップトラックや大型SUVに適用する方針だ。

GMがLMRを導入しようとする理由は、車種別の価格と航続距離の要求に対応するためのバッテリーの選択肢を広げるためである。GMは現在、高ニッケルバッテリーを長距離走行が必要な車両に活用し、LFPバッテリーはコスト負担を抑えた製品群に適用する策を推進している。ここにLMRバッテリーを追加することで、LFPよりも高いエネルギー密度と価格競争力を備えた選択肢を用意する計画だ。

両社はLMR角形セルのエネルギー密度をLFPより33%高め、コストを同水準に抑えることを目標としている。このような性能が実現されれば、同じサイズのバッテリーパックで走行距離を伸ばしたり、同一の走行距離を維持しながらバッテリーセルの搭載量を減らしたりすることができる。

LG Energy SolutionとGMだけでなく、フォードもLMRバッテリーの商用化を推進している。フォードは昨年4月、バッテリー研究開発センター「Ford Ion Park」でLMRセルを開発し、第2世代セルをパイロットラインで生産中であると明らかにした。同社は2030年以前に次世代電気自動車のラインナップにLMR技術を適用する計画だ。

フォードは、LFPバッテリーと同水準の安全性を備え、高ニッケルバッテリーよりも高いエネルギー密度と、現行の中ニッケルバッテリーよりも低いコストを目指してLMRセルを開発していると説明した。これにより、電気自動車の走行距離を伸ばし、販売価格を下げようという構想だ。

正極材メーカーも製品開発と生産準備を並行して進めている。POSCO Future Mは2023年からグローバルな完成車・バッテリー企業とLMR正極材の商用化技術を共同開発しており、2024年にパイロット生産に成功した。昨年5月には、エネルギー密度と充放電性能、安定性を改善した後、年内に量産技術を確保し、大規模な受注に乗り出すという計画を提示した。POSCO Future Mは、既存のニッケル・コバルト・マンガン（NCM）正極材の生産ラインを活用してLMR正極材の量産体制を構築することで、新規の大規模な設備投資負担を軽減できると説明した。

ヨーロッパの素材企業であるユミコアも、マンガン系正極材の産業化を推進してきた。ユミコアは2023年2月に高リチウムマンガン（HLM）正極活物質技術の産業化に着手し、2026年に電気自動車用としての商業生産と適用を目標として掲げた。当時、同社は完成車・バッテリーセルメーカーとHLM製品の開発プログラムを進行中であり、顧客企業の試験に必要な大量のHLMを供給できる生産準備能力を備えていると明らかにした。

ユミコアは、HLMがニッケルの使用量を抑え、コバルトを使用しないためコスト削減の余地がある素材であり、LFPよりも長い走行距離と、同等の安全性、高いリサイクル性を提供できると評価した。生産面では、既存のNCM正極材の生産施設を活用できる点をメリットとして挙げている。ユミコアは現在、NCM正極活物質を生産している韓国・ポーランドの工場などをHLMの生産候補地として言及している。