EV車向け全固体電池技術: 課題は待ち受けている - 臨沂ピーナッツバター株式会社

「ボンネットの下に何があるのか」というフレーズは急速に時代遅れになりつつあります。内燃機関を動力源とする自動車の場合、多くの場合、エンジンは自動車の全体的なパフォーマンスにおいて最も重要な要素となります。しかし、EV が注目を集めている今日では、その疑問は意味をなさなくなっています。それは、通常、EV のボンネットの下にさまざまな非伝統的なコンポーネントと、場合によっては小さなストレージが搭載されているからだけではありません。

EV の購入を検討している今日の消費者にとって、最も重要なコンポーネントはバッテリーです。現在、すべての量販用 EV は、走行用の電気モーターに電力を供給するためにリチウムイオンバッテリーパックに依存しています。（化学反応は異なる場合もありますが、リチウムが重要な要素であることに変わりはありません。）これらのバッテリーは大きくて重いため、多くの場合、車の床全体を占めます。トランクや伝送トンネルの一部を食い荒らす者もいる。

今日のバッテリーは極端な温度にも敏感で、ガスの充填に比べて充電が遅く、時間の経過とともに劣化し、恐ろしいほど激しい地獄に変わる可能性があります。リチウムイオン電池の設計は近年大幅に改良されていますが（個々のセルの爆発性ははるかに低くなりました）、その基本的な構造は常に火災の危険があることを意味します。

しかし、EVの性能に革命をもたらす可能性のある新しいタイプのバッテリーが開発中で、その結果、軽量化され、爆発のリスクが少なく、より多くのエネルギーを提供するパックが実現します。これらは全固体電池と呼ばれるもので、大きな可能性を秘めていますが、市場に投入されるまでにはまだ乗り越えなければならないハードルが数多くあります。

全固体電池の違いを理解するには、少し専門的な知識を得る必要があります。バックルを締めてください。ただし、この話は軽くしておこうと思います。

従来のリチウムイオン電池や固体電池（これらも中核化学物質としてリチウムイオンを使用する）を含むほぼすべての電池は、同じ基本アーキテクチャを共有しています。片側にはカソードがあり、放電時にプラス端子として機能します。反対側には、マイナス端子であるアノードがあります。内部で何が起こるかは電池の種類によって異なりますが、一般に、反応により電子が一方の側からもう一方の側に流れ、回路が形成され、携帯電話、時計、車などに電力が供給されます。

スマートフォンや EV のリチウムイオン電池はできる限り小さく設計されているため、陽極と陰極が隣り合って挟まれており、円筒形電池の場合には互いに巻き合っている場合もあります。これら 2 つのコンポーネントが接触すると、電気ショートが発生する可能性があり、非常に悪い知らせです。そこで、分離するためにセパレーターと呼ばれる膜を間に挟みます。通常は薄いプラスチックフィルムです。

しかし、バッテリーが機能するためには、バッテリーが電力を供給しているか充電しているかに応じて、イオンがアノードからカソードに、またはその逆に流れる必要があります。どのようにしてプラスチックの分離器を通過させるのでしょうか? 液体の電解質溶液を使用し、セパレーターがそれが流れるのに十分な多孔質であることを確認します。

全固体電池では、概念的には同じ基本構造、つまりアノードとカソードの間にセパレータが挟まれています。ただし、この場合、セパレータは電解質であり、イオンの流れを直接可能にする固体、多くの場合セラミック材料です。

小さな変更のように聞こえますが、プラス面とマイナス面の両方で大きな影響を及ぼします。課題を検討する前に、ソリッドステートの利点をいくつか見てみましょう。

バッテリーのエネルギー密度は、特定の重量または体積に対して実際にどれだけの電力を出力できるかということです。バッテリーの密度が高くなると重量が軽くなり、バッテリーの電気出力が同じであっても実際にEVの航続距離が伸びる可能性があるため、これは重要です。

「全固体電池への移行が進んでいるとき、それが非常に有用である理由、そして全固体電池からこの過剰な性能の利点が得られる理由は、より高いエネルギー密度の負極の使用が可能になるからです」とロリー・マクナルティ氏は述べています。 Benchmark Mineral Intelligence の固体およびリチウム金属電池レポートの共著者。マクナルティ氏は、この増加は、現在のリチウムイオン電池よりもエネルギー密度が3倍高い電池を意味する可能性があると述べている。

これを大局的に考えると、今日の EV に搭載されている 80 キロワット時のバッテリーパックの重量は平均して約 1,000 ポンドです。密度が 3 倍の場合、80 kWh ソリッドステートパックの重量はわずか 333 ポンドになります。 EV の重量が軽いということは、航続距離が伸びることを意味します。

「一般的に固体電池は、電解質をどれだけ薄くできるかにもよりますが、（現在の液体電解質の）リチウムイオン電池よりもはるかに速く充電できるはずです。安全性への懸念がなければ」とマクナルティ氏は述べた。

ソリッドステートバッテリーパックの具体的な予測はさまざまですが、多くのソリッドステートスタートアップ企業はフル充電に約 10 ～ 15 分かかると見積もっています。今日の一般的なリチウムイオン電池のフル充電には、急速充電器を使用すると簡単に 1 時間以上かかります。

通常の状況下では、リチウムイオン電池を搭載した EV は完全に安全です。ただし、損傷や不適切な充電によりバッテリーが過度に熱くなり始めると、連鎖反応が始まる可能性があります。バッテリーを満たす液体電解質ですか？そうですね、とても燃えやすいんです。

「バッテリーがいわゆる熱暴走に陥ると、その液体に反応が起こります」とマクナルティ氏は言う。「これらの連鎖反応は多量の熱を発生し、反応がさらに加速して火災を引き起こします。」

全固体電池には液体の電解質が存在しないため、信じられないほどの速度で充電している場合でも、火災の危険性は低くなります。

リチウムイオン電池の製造には時間がかかることがあります。セルが構築された後は、液体電解質が適用される充填および調整段階があります。「バッテリーをゆっくりと穏やかに充電および放電すると、電極に保護コーティングが形成されます。これは、バッテリーが通常の寿命に入る準備のようなものです」とマクナルティ氏は言いました。「固体分離装置を使用すると、これらの手順が不要になるため、製造ラインで最大 3 週間の処理時間が短縮されます。」

迅速な製造とジャストインタイム供給のロジスティクスの時代において、自動車の製造プロセス全体から 3 週間かかることは非常に大きなことです。

これらすべては素晴らしく聞こえますし、数十のスタートアップ企業が全固体電池の市場投入に取り組んでいるのも不思議ではありません。その多くは大手 OEM から多額の資金提供を受けており、2025 年までの製品発売について楽観的な予測を立てています。とはいえ、これは楽観的かもしれません。いくつかの障害を見てみましょう。

バッテリーの内部成分は構造によって異なりますが、ほとんどの場合、リチウムが重要な要素です。世界のリチウム価格は過去1年だけで3倍になったが、それは世界のリチウム生産量が過去5年間で3倍になったにもかかわらずだ。単純に言えば、世界的に物資が不足しているのです。

問題は、全固体電池が実際には現在のリチウムイオンパックよりもさらに多くのリチウムを使用する可能性があることです。上で述べた高密度アノードのことを覚えていますか? おそらく純粋なリチウム金属で作られるでしょう。「現在、リチウム金属はバッテリーの比エネルギーを最大3倍増加させることができますが、それは純粋なリチウムとして提供されるため、リチウム強度も増加します」とマクナルティ氏は述べ、これがリチウム不足をさらに悪化させるだろうと指摘した。

「同じ電池の場合、リチウムの量は5倍から10倍になるだろう」と、原材料生産の環境への影響を定量化する英国のコンサルティング会社ミンバイロ社の研究革新マネージャー、ジョーダン・リンゼー博士は語る。「それで、リサイクルを成功させることができれば素晴らしいことですが、そうでない場合は、通常のリチウムイオンのサプライチェーンに困難が生じることがすでに予測されているため、固体をどのように資源化するかわかりません。」

リンジー氏によると、現時点ではソリッドステートパックをリサイクルする効果的な方法はありません。

「全固体電池の問題の 1 つは、リチウムのリサイクルをさらに改善する必要があるということです。現在、リチウムイオン電池を使用すると、ニッケル、コバルト、マンガン、セルのコンポーネントからアルミニウムや銅をかなりうまくリサイクルできます。かなり順調です」とリンジーは言った。「しかし、問題は黒鉛とリチウムです。これらは大規模な閉ループ電池リサイクルの行き着く先です。彼らはまだその効率を研究中です。」

リサイクルは、環境への懸念を軽減しながら、サプライチェーンの問題に対処するのに役立つ可能性があるが、状況に対処するのに十分なほど早くは実現しないのではないかとリンジー氏は懸念している。になり得る。"

同氏はさらに次のように続けた。「先を行こうとするこのような厄介な争奪戦や、バッテリーのリサイクルという産業側のことはあると思います。なぜなら、それは必ずしも環境への影響ではなく、LCA（ライフサイクル評価）の観点から非常に重要だからです。「それ自体は非常にエネルギーを消費しますが、サプライチェーンへの負担を軽減するという観点からは、これは不可欠です。リサイクルしなければ、これらすべてのバッテリーを製造することはできません。」

簡単なおさらい: 全固体電池では、アノードとカソードは固体電解質によって分離されています。これは、バッテリーがより小型で高密度になり、電極の 1 つに高密度の純粋なリチウムが使用されることを意味します。

ここまではとても順調ですよね？研究者たちは、今日の EV に電力を供給するリチウムイオン電池、特に高出力の急速充電ステーションで繰り返し充電される場合にも悩まされる問題を発見しました。これらのバッテリーが古くなると、リチウム電極の形状が変化し、奇妙な有機的な方法で成長します。リチウムは、文字通り固体電解質に成長する金属の分岐構造である樹枝状結晶と呼ばれるものを形成しています。

最終的に、これらの樹状突起は電解質の反対側に到達するまで成長し、バッテリーパックをショートさせます。繰り返しますが、それは悪いニュースです。最近の MIT の研究では、電池構造内の内部応力が原因で樹枝状結晶が形成されることが判明しました。これらの研究者らは、他の物理的ストレスを加えることで、樹状突起の成長を抑制できることを発見しました。ただし、これらの結果は研究室から出てきたばかりであるため、ソリューションが大量生産に適用されるまでには数年かかる可能性があります。

おそらく最大の欠点はコストです。全固体電池は、より高密度のレアメタルを必要とするだけでなく、その製造技術も今日のリチウムイオン電池とはまったく異なります。これは、新しい工場、新しい手順、大規模製造の新しい利点がまだ発明されていることを意味します。

しかし、最終的にはこれらのバッテリーがさらに安くなる可能性があります。「全固体電池の最初の商品化は、（今日の）リチウムイオン電池とコスト競争力がなく、コストが割高になるだろう」とマクナルティ氏は述べた。「しかし、安全性や航続距離などの利点がそれを補ってくれるだろう。商品化されてから最初の5～10年は時間が経ち、技術が向上するにつれてコスト競争力が備わり始めるだろう。」

一部のメーカーは今後数年以内に自動車用の全固体電池を生産すると報じられているが、これが開始されるのは極めて限定的な規模であることは明らかだ。

「したがって、大量生産について話しているのであれば、消費者が最初の全固体電池を大規模に購入できるようになるのは2030年という楽観的な示唆になるだろう」とマクナルティ氏は述べた。「そして、それらの最初の車両は実際には非常に高価なテストベッドシステムになるでしょう。それらは高性能になるでしょうが、それらの車両のアイデアはテクノロジーに慣れることだと思います、そして私はそうはならないと思います」自然なEV用途における技術がどのようなものかをある程度習得するまで、それらを大量に製造したいと考えています。」

マクナルティ氏は、全固体電池EVが量産される時期については、2032年から2035年がより現実的な予測であると述べている。これにより、電池開発者はリサイクルとサプライチェーンの問題を解決するのに約10年かかることになる。しかし、ミンヴィロ社のリンジー氏は、その頃には自動車のバッテリー構造もより倹約できるようになるかもしれないと楽観視している。「ばかげていて単純に聞こえるかもしれないが、バッテリーのサイズを半分にするだけで負担は軽減されるだろう」と彼は言う。「バッテリーのサイズを半分にし、人々が必要としているように機能するバッテリーを作ることについて話し合わなければならないと思います。」

したがって、航続距離に対する不安を克服することが、全固体電池を機能させるための最後の鍵となるかもしれません。