世界は、できればクリーンで再生可能な形で、より多くの電力を必要としています。私たちのエネルギー貯蔵戦略は現在、最先端の技術であるリチウムイオン電池によって形作られていますが、今後何を期待できるのでしょうか?
まずはバッテリーの基本から。電池は、1 つまたは複数のセルのパックであり、各セルには、正極 (カソード)、負極 (アノード)、セパレーター、および電解質があります。これらにさまざまな化学物質や材料を使用すると、バッテリーの特性に影響を与えます。つまり、蓄電および出力できるエネルギー量、供給できる電力量、または放電および再充電できる回数 (サイクル容量とも呼ばれます) です。
電池メーカーは、より安価で高密度、軽量、そしてより強力な化学物質を見つけるために、常に実験を行っています。私たちは、革新的な可能性を秘めた 3 つの新しいバッテリー技術について、サフトのリサーチ ディレクターであるパトリック バーナードに話を聞きました。
新世代リチウムイオン電池
それは何ですか？
リチウムイオン (li-ion) バッテリーでは、リチウムイオンが電解質を介して正電極から負電極へと移動することにより、エネルギーの貯蔵と放出が行われます。この技術では、正極が最初のリチウム源として機能し、負極がリチウムのホストとして機能します。正と負の活物質の完璧に近い数十年にわたる選択と最適化の結果として、リチウムイオン電池の名前の下にいくつかの化学物質が集められています。リチウム化金属酸化物またはリン酸塩は、現在の正極材料として使用される最も一般的な材料です。グラファイトだけでなく、グラファイト/シリコンまたはリチウム化チタン酸化物も負の材料として使用されます。
実際の材料とセル設計では、リチウムイオン技術は今後数年でエネルギー限界に達すると予想されます。それにもかかわらず、破壊的な活性物質の新しいファミリーのごく最近の発見は、現在の限界を解き放つはずです。これらの革新的な化合物は、正極と負極により多くのリチウムを蓄えることができ、初めてエネルギーと電力を組み合わせることができます。さらに、これらの新しい化合物では、原材料の希少性と重要性も考慮されています。
その利点は何ですか？
今日、すべての最先端のストレージ技術の中で、リチウムイオン電池技術は最高レベルのエネルギー密度を可能にします。急速充電や温度動作ウィンドウ (-50°C から 125°C まで) などの性能は、セルの設計と化学的性質を幅広く選択することで微調整できます。さらに、リチウムイオン電池は、自己放電が非常に少なく、寿命が非常に長く、サイクル性能 (通常は数千回の充電/放電サイクル) などの追加の利点を示します。
いつ期待できますか？
新世代の高度なリチウムイオン電池は、第 1 世代の全固体電池よりも先に展開されると予想されます。エネルギー貯蔵システムなどのアプリケーションでの使用に最適です。再生可能エネルギーと輸送（マリン、鉄道、航空高エネルギー、高出力、安全性が必須の場所。
リチウム硫黄電池
それは何ですか？
リチウム イオン電池では、リチウム イオンは充放電中に安定したホスト構造として機能する活物質に保存されます。リチウム硫黄 (Li-S) バッテリーには、ホスト構造がありません。放電中、リチウム アノードが消費され、硫黄がさまざまな化合物に変換されます。充電中は、逆のプロセスが行われます。
その利点は何ですか？
Li-S バッテリーは、非常に軽量な活物質を使用しています。正極には硫黄、負極には金属リチウムが使用されています。これが、その理論エネルギー密度が非常に高く、リチウムイオンの 4 倍である理由です。そのため、航空および宇宙産業に適しています。
Saft は、固体電解質に基づく最も有望な Li-S 技術を選択し、支持しました。この技術パスは、非常に高いエネルギー密度と長寿命を実現し、液体ベースの Li-S の主な欠点 (限られた寿命、高い自己放電など) を克服します。
さらに、この技術は、その優れた重量エネルギー密度 (Wh/kg で +30% がかかっている) のおかげで、固体リチウムイオンを補完します。
いつ期待できますか？
主な技術的障壁はすでに克服されており、成熟度は本格的なプロトタイプに向けて非常に急速に進んでいます。
長いバッテリ寿命を必要とするアプリケーションでは、この技術は固体リチウム イオンの直後に市場に出回ると予想されます。
全固体電池
それは何ですか？
全固体電池は、技術面でのパラダイム シフトを表しています。最新のリチウムイオン電池では、イオンが液体電解質を横切って電極間を移動します (イオン伝導性とも呼ばれます)。全固体電池では、液体電解質が固体化合物に置き換えられますが、リチウムイオンはその中を移動できます。この概念は決して新しいものではありませんが、過去 10 年間に世界中で集中的に研究が行われたおかげで、液体電解質に似た非常に高いイオン伝導率を持つ固体電解質の新しいファミリーが発見され、この特定の技術的障壁を克服することができました。
今日、サフト研究開発の取り組みは、加工性、安定性、導電率などの物理化学的特性の相乗効果を目指して、ポリマーと無機化合物の 2 つの主要な材料タイプに焦点を当てています。
その利点は何ですか？
最初の大きな利点は、セルおよびバッテリー レベルでの安全性の著しい向上です。固体電解質は、液体の電解質とは異なり、加熱しても不燃性です。第 2 に、革新的な高電圧大容量材料の使用が可能になり、自己放電が減少した結果、より高密度で軽量なバッテリーが可能になり、貯蔵寿命が向上します。さらに、システムレベルでは、簡素化された機構や熱および安全管理などの追加の利点がもたらされます。
バッテリーは高い出力対重量比を示すことができるため、電気自動車での使用に理想的かもしれません。
いつ期待できますか？
今後も技術の進歩に伴い、全固体電池が何種類か登場する可能性があります。1つ目は、グラファイトベースのアノードを備えた全固体電池で、エネルギー性能と安全性が向上します。やがて、金属リチウムアノードを使用したより軽量な固体電池技術が商業的に利用可能になるはずです。
投稿時間: 2022 年 8 月 3 日