全固体電池「代替品」はいつ「主力」になるのか？

全固体電池次世代電源として登場しつつあるが、固体 - 液体ハイブリッド電池が最初に商品化され、現在の液体リチウムイオン電池と将来の全固体システムの間の重要な架け橋として機能する可能性が高い。

全固体電池とは

全固体電池は、可燃性液体電解質を固体材料に置き換えると同時に、より高いエネルギー密度とより優れた安全性能を可能にします。これらのカソードには、リチウムが豊富なマンガンベースの化合物などの高エネルギー材料を使用でき、アノードにはナノシリコンとグラファイトを組み合わせて、エネルギー密度を 300 ～ 450 Wh/kg に近づけることができます。

固体電解質は漏れの危険なくリチウムイオンを運び、熱暴走の可能性を大幅に低減します。

より大容量のアノードと高電圧カソードにより、全固体電池は電気自動車の航続距離を延ばし、ドローンやエネルギー貯蔵システムの耐久性を向上させる可能性をもたらします。

遷移としての固体と液体のハイブリッド

この記事では、液体、固体-液体ハイブリッド、および全固体リチウム電池を区別し、ハイブリッド設計が重要な移行段階であることを強調しています。市場にある半固体、準固体、および「固体」電池は主にこのハイブリッド カテゴリに分類され、液体電解質と固体電解質の比率のみが異なります。

固体 - 液体ハイブリッド電池には、まだいくらかの液体電解質が含まれているため、活物質との接触が改善され、製造が容易になります。

全固体電池には固体電解質のみが含まれており、本質的安全性が向上し、理論上のエネルギー密度が高くなりますが、今日ではより厳しい工学的課題に直面しています。

フルソリッドステートに対する技術的障壁

世界中の多くの企業や研究機関がソリッドステート技術に投資していますが、性能とコストの両方で液体リチウムイオン電池に匹敵する大容量ソリッドステートパワーセルはまだありません。中心的な問題は固体と固体の界面にあり、そこでは硬い電解質材料により、サイクル中や体積変化中に電極との緊密な接触を維持することが困難になります。

現在のルートには、ポリマー、薄膜、硫化物、酸化物の固体電池が含まれており、それぞれに明確な利点と制限があります。

たとえば、ポリマー固体電池は室温および高電圧カソードでは困難ですが、硫化物系は空気の影響を受けやすく、厳しい製造条件が必要です。

現場凝固戦略

既存のリチウムイオンインフラを活用しながら界面の問題を克服するために、研究者らは、固体-液体ハイブリッド電解質のその場凝固アプローチを提案しています。セルの組み立て中、液体前駆体により良好な濡れと接触が保証されます。その後、化学反応または電気化学反応により、この液体の全部または一部がセル内で固体電解質に変換されます。

この方法により、電極と電解質の接触が改善され、リチウムデンドライトの成長が抑制され、安全性、高電圧、急速充電性能のバランスが取れます。

また、現在の液体リチウムイオン製造プロセスの多くを再利用できるため、メーカーがより迅速に規模を拡大し、コストを削減できるようになります。

今後の開発の方向性

専門家らは、全固体リチウム電池が本格的に大規模に商業化されるまでにはさらに約 5 年かかると予想しているため、固体と液体のハイブリッド電池が短期的には現実的な道筋であることに変わりはない。この記事では、工業化を加速するために、材料、セル設計、製造、標準の調整された進歩の必要性を強調しています。

優先事項としては、イオン伝導性、安定性、加工性のバランスが取れた固体電解質の開発が挙げられます。高ニッケル陰極とシリコン炭素またはリチウム金属陽極などの高エネルギー電極のマッチング。デジタルシミュレーションとインテリジェント製造の統合。

産業界は、主要材料の堅牢なサプライチェーンを構築し、自動化装置に投資し、試験および評価システムを改良し、固体と液体のハイブリッドから段階的に進化することが奨励されています。 リチウムイオン電池全固体リチウム金属電池に向けて。