エネルギー
研究者らが本質的な部分に焦点を合わせ、固体電池の研究は継続中
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固体電池は、 使用されている スマートフォン、電動工具、EVなどに使われる固体電池は、使用する電解質がリチウムイオン電池とは異なります。リチウムイオン電池は液体電解質を使用するのに対し、固体電池は固体電解質を使用します。
リチウムイオン電池の場合、正極と負極を分離するためのセパレーターが存在します。固体電池では、固体電解質がセパレーターの役割も果たします。
これらは単なる特徴に過ぎませんが、固体電池は固体構造によって安定性が向上し、安全性も向上したため、科学技術界では固体電池を開発しました。電解液が損傷しても形状を維持することから、科学技術界は固体電池の開発に取り組んでいます。
全固体電池はエネルギー密度が高く、爆発や発火の危険性がほとんどありません。安全部品のサポートが不要なため、活物質を挿入するスペースが広くなり、電池容量が増加します。エネルギー密度の向上により、電池の必要性も低く抑えられ、モジュールとパックに最適なEV電池システムが実現します。
市場の専門家は、主にこれらの利点から、固体電池がEVをICEVと競争させ、最終的には競争で先行するためのゲームチェンジャーとして登場すると考えています。しかし、研究者が固体電池をさらに有用にする方法を研究するのを止めることはありません。 そのような研究の一つでは科学者たちは、Li2CO3耐性ガーネット型固体電解質によって実現される高エネルギー密度の超薄型リチウム金属固体電池のケースを仮定しました。
これらはすべて技術的すぎるように聞こえるかもしれませんが、次のセクションでは、研究が何を達成しようとしているのかをより深く理解していきます。
高い安定性とエネルギー密度を備えた超薄型リチウム金属固体電池プラットフォームの実現
POSTECHの材料科学工学部のビョンウ・カン教授とアビン・キム博士 固体電解質を開発した 高い安定性とエネルギー密度を備えた超薄型リチウム金属固体電池プラットフォームを実現します。
この画期的な成果は、固体電池が直面する最も一般的な懸念事項の 1 つを解決するという成果をもたらしました。その問題は何だったのでしょうか。そして、どのように解決できるのでしょうか。以下で詳しく見ていきましょう。
LLZOの懸念
ガメット型固体電解質は、 ソリッドステートバッテリーLi7La3Zr2O12 または LLZO としても知られるこの物質は、高いイオン伝導性を持っています。同時に、反応性も高く、空気にさらされると表面に汚染層 (Li2CO3) を形成します。この層には、セル構造における抵抗バリアの形成、電解質と反応物の接触および界面特性の低下など、いくつかの欠点や障害があります。
このイノベーションは、外部的な解決策を講じるのではなく、本質的な要素に焦点を当てることでこの障害を克服し、状況を好転させました。研究者らは、LLZO の表面と内部の特性を同時に強化し、汚染層の形成を防ぐことができる、空気処理可能な LLZO (AH-LLZO) 技術を開発しました。
彼らは、材料の表面と内部の両方に新しい疎水性化合物（Li-Al-O）を開発することで目標を達成しました。この化合物は、層が空気中の水分とのみ反応するようにすることで、汚染が内部に広がるのを防ぎました。
接触性と濡れ性が改善されたソリューションとしてのこの層は、人間の髪の毛の約 10 分の 1 の厚さの超薄型リチウム固体電池の開発にもつながりました。
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この研究がなぜ画期的だと考えられるのでしょうか?
この結果により、極薄のリチウム金属層を作製することが可能となり、固体電池における陽極と陰極の容量比がわずか 0.176 程度になるというシナリオが生まれました。
この実験により、リチウム金属の使用量も大幅に削減され、バッテリー全体の重量と体積が軽減され、エネルギー密度が大幅に向上します。
この研究とその成果が実用化されれば、特別な取り扱いや設備を必要とせずに空気中での貯蔵が可能になります。このイノベーションは、プロセス全体を簡素化するだけでなく、より実用的な使用性を備えたガーネット型固体電解質の製造につながります。
将来について語る際、カン・ビョンウ教授は次のように述べた。
「当社は今後も、高い安全性と高いエネルギー密度を実現できる超薄型リチウム金属固体電池の開発に取り組んでいきます。」
研究によると、本質的な点に焦点を当てることで、製品の欠点を長所に変えることができるそうです。企業や商業団体は、将来の自動車にとってより有益で役立つ固体電池を作るために、研究とリソースに投資しています。次のセクションでは、そのような企業とそのイノベーションについて見ていきます。
#1。 ソリッドパワー
この分野で優れた成果を上げている企業の一つが Solid Power です。 全固体電池 高エネルギー、安全性の向上、長寿命、大幅なコストメリットを実現します。
反応性および揮発性の液体およびゲル成分を除去することで安全基準を強化しながら、高含有量のシリコンやリチウム金属などの高容量電極の使用を可能にします。
その結果は、極度の高温にも耐え、効率的に機能するバッテリーに表れています。同社は、自社の製品はリチウムイオン パックに比べて 15 ～ 35% のコスト優位性があると主張しています。
Solid Power の全固体電池ポートフォリオには、シリコン EV セル、リチウム金属セル、変換反応セルという 3 つの主要製品が含まれています。
シリコンEVセル
高含有量のシリコンアノードを備えているため、高い充電率と低温性能を実現しています。Solid Power 独自の硫化物ベースの固体電解質がこのソリューションに電力を供給します。業界標準の、商業的に成熟した NMC カソードを使用しています。
リチウム金属
この製品の名前は、高エネルギーリチウム金属アノードに由来しています。仕様が 390 Wh/kg のシリコン EV セルよりも容量が若干優れていますが、リチウム金属セルは 440 Wh/kg です。
変換反応セル
ソリッドパワー社のポートフォリオ製品の中で、最大の性能容量は560wh/kgです。その独自性は、超低コストで高比エネルギー変換型カソードにあります。
米国コロラド州に拠点を置くソリッド パワーは、自社のバッテリーの変革能力を強く信じています。同社は、自社の全固体バッテリー セルが OEM の数量とコストの要件を満たすと考えています。
ソリッドパワー株式会社 (SLDP -0.42％)
最新の投資デッキでは同社（Nasdaq: SLDP）は、これまでに700億ドルを調達した唯一の上場純粋固体電池開発企業であると主張しています。同社は50年以上にわたる研究開発投資の歴史によって成長しており、その結果、約XNUMXの世界的な特許ファミリーと、業界をリードするXNUMXつの開発パートナー（BMW、Ford、SK On）を獲得しました。
#2. クォンタムスケープ
この分野のもう一つの大手企業であるQuantumScapeは、「固体リチウム金属電池技術でエネルギー貯蔵を変革する」という使命を掲げている。また、 可能にする 「より高いエネルギー密度、より速い充電、そして強化された安全性」 – POSTECH の研究も焦点を当てている 3 つの重要な基本特性です。
の一つ QuantumScapeの最も注目すべき特徴 それが持っているということです 業界初のアノードレスセル設計を開発その結果、材料コストが削減され、製造が簡素化され、エネルギー密度が高まります。
Quantumscape テクノロジー プラットフォームは、さまざまなカソード化学を使用して、現在のニッケル マンガン コバルト (NMC) およびリン酸鉄リチウム (LFP) ベースのバッテリー セルのエネルギー密度を大幅に向上させます。この取り組みにより、さまざまなエネルギー貯蔵アプリケーションが最適化され、将来のカソード化学の進歩を活用できるようになります。
同社のもう一つのUSPはセパレーター材料であり、 作られます 高い導電性、リチウム金属に対する安定性、デンドライト形成に対する耐性、および低い界面インピーダンスを提供するセラミックを使用しています。セラミックを使用するもう 1 つの利点は、不燃性であるため安全性が高く、炭化水素を含み燃えやすい従来のポリマー セパレーターよりも安全であることです。
QuantumScape は、固体リチウム金属セルを使用して 800～1,000 Wh/L を目標に取り組んでいます。
ソリッドパワー株式会社 (SLDP -0.42％)
財政的に、 クォンタムスケープ（NYSE: QS） 支持されています 2億ドル以上の資本投資により同社は300件以上の特許および特許出願を保有しています。
固体電池の未来
全固体電池はもはや未来の技術ではない as 未来はすでに到来している。 多くの最先端の 最高クラスの研究機関による研究 前進している 毎日の原因。
例えば、2024年XNUMX月、ハーバード大学工学応用科学大学院（SEAS）の研究者らは、リチウム金属を用いた固体電池を発表した。 6,000回の充電/放電サイクルが可能これは、市場に出回っている他のポーチ型バッテリーセルよりもはるかに優れています。
この研究は記事の冒頭で引用した研究と似ており、ハーバード大学の研究者も陽極の表面に樹状突起が形成されるというよく知られた問題に取り組んでいた。
ソリッドパワーやクォンタムスケープなど、これまで取り上げてきた専門事業以外にも、この分野には大手企業が参入している。例えば、2023年XNUMX月にはトヨタと出光興産が提携を発表した。 EV用固体電池の開発.
このコラボレーションを推進したビジョンは、控えめに言っても野心的なものでした。プレスリリースには次のように書かれています。
「全固体電池に関わる材料開発などで世界をリードする両社は、今回の協業を通じて、2027～28年の全固体電池実用化の実現を目指します。 トヨタテクニカルワークショップ 2023年XNUMX月に本格量産を開始する予定だ。
この分野で大きな飛躍を決意したもう一つの企業はホンダです。同社はこの分野でかなり長い間活動してきました。2024年XNUMX月、ホンダ当局は 重量50%削減を目指す言い換えれば、重量あたりのエネルギー密度が 50% 向上したことになります。
ホンダの三部敏弘CEOは、ホンダが30,000万ドルの車を作りたい場合、バッテリーのコストが下がり、航続距離が伸び、 冷却システムを簡素化できる.
しかし、固体電池をより堅牢かつ安全にするための世界的な取り組みは、依然としていくつかの課題に直面しています。その目的は、安全性、安定性、エネルギー性能、電気化学的貯蔵効率など、固体電池の基本特性を最適化することです。一方、長期的なパフォーマンスの実現可能性、経済的な実現可能性、特定の電力基準の正確な実現など、さまざまな障害があります。
さらに詳しく調べてみると、現在の固体電池 (SSB) では、アノード、カソード、電解質の材料劣化によりサイクル性能が不十分になるという課題もあることがわかります。 米国自動車研究評議会 10% の放電深度で 1000 サイクル、80 年の寿命というバッテリー寿命目標を設定しました。
固体電池がこの目標を達成できない原因は、空間電荷層の形成（界面運動速度の低下と高インピーダンスにつながる）と、デンドライトの成長（短絡や安全上の問題を引き起こす）です。
しかし、これらの課題には解決策があります。メーカーは、高エネルギー密度の SSB と拡張機能の製造に注力する必要があります。結局のところ、これらの製品は熱安定性が高く、200 °C を超える温度でも安全性の懸念がありませんが、液体電解質は 70 °C を少し超えるだけで危険になる可能性があります。固体電解質は、漏れのない動作を提供し、液体電解質よりも優れた電気化学的安定性をもたらします。
固体電解質は、容量の低下や内部短絡を軽減できるため、より望ましいものとなっています。また、イオン伝導率が高く電子伝導率が低いため、車両の充電も速くなります。
Hubspot QuantumScapeの推定エネルギー密度が約 350 Wh/L の今日の最高級の従来型リチウムイオン電池の 700 つを使用して 400 回の充電で約 500 マイル走行できる車両は、QuantumScape の固体電池を使用すると XNUMX マイルから XNUMX マイルの走行が可能になります。
全体的に、固体電池は将来のモビリティにとって不可欠です。固体電池は効率的で、安全で、コスト効率が高く、長持ちする必要があります。
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