紹介
全固体電池とは、固体電極と固体電解質を用いた電池のことです。全固体電池は一般的に低電力密度と高エネルギー密度を備えているため、電気自動車に理想的な電池です。
2030年には、リチウムイオン電池は電気自動車用電池の主流ではなくなるかもしれませんが、一部の電子部品にはまだ位置があります。推定によると、中国の全固体電池市場は2025年に30億元、2030年に200億元に達すると予想されています。
開発コース
ソニーが1991年に液体電解質を含むリチウムイオン電池を電子機器に導入して以来、液体リチウム電池は最も成熟し、広く使用されている技術ルートの1つになりました。
トヨタは2010年に航続距離1000km以上の全固体電池を発売した。QuantumScapeやSakti3などの取り組みも、従来の液体リチウム電池を全固体電池に置き換えようとしています。
カナダの会社Avestorも全固体リチウム電池の開発を試み、最終的に2006年に破産を申請しました。Avestor は、ポリマー セパレーターを使用してバッテリー内の液体電解質を交換しますが、安全性の問題を解決しておらず、北米ではバッテリーの火災や爆発が何度か発生しています。
2015年3月中旬、掃除機の発明者であり、英国の会社Dysonの創設者であるJames Dysonは、2007年に設立されたバッテリースタートアップである全固体電池会社Sakti3に最初の1,500万ドルを投資しました。
2018年1月、画期的な新しいバッテリー技術がついに現実に近づいたようです。予想されれば、この新技術により、携帯電話中毒者は数日間続けられ、電気自動車の航続距離は約800キロメートル以上に延びる可能性があります。全固体電池技術として知られるこの新技術は、今日の電池の液体電解質をセラミック材料に置き換えるものです。
2018年1月にはBMWと提携を結び、BMWは今後10年間、製造するすべての製品に何らかの形でバッテリー部品を供給することを約束した。
2021年1月9日、Weilai Automobileは新しい150kWh全固体電池パックをリリースしました。この技術を搭載したWeilai電気自動車は、2022年の第4四半期に納車される予定で、航続距離は1,000kmを超えると予想されています。
2022年1月22日、ガンフェン全固体電池を搭載した東風E70デモ運用車両が新余で発売され、50台の全固体電池デモ運用車両の第1バッチが正式に市場に投入されました。Ganfengリチウム電池の第2フェーズで年間生産量が10GWhの新しいリチウム電池プロジェクトの最初の生産ラインも、同じ日に正式に稼働しました。
原理
従来の液体リチウム電池は、科学者から「ロッキングチェア電池」とも呼ばれています。ロッキングチェアの両端はバッテリーの正極と負極で、電解質(液体)は中央にあります。リチウムイオンはまるで優秀なアスリートのようで、ロッキングチェアの両端を前後に走っています。リチウムイオンが正極から負極へ、そして正極へ移動している間に、バッテリーの充電および放電プロセスが完了します。
全固体電池の原理は同じですが、電解質が固体であり、密度と構造により、より多くの帯電したイオンが一端に集まり、より大きな電流を流し、電池容量を増やすことができます。したがって、同じ量の電力で、全固体電池の体積は小さくなります。それだけでなく、全固体電池には液体電解液がないため、保管が容易になり、自動車などの大型機器で使用する場合、冷却パイプや電子制御などを追加する必要がなくなり、コストの節約だけでなく、重量の軽減にも効果的です。
利点
- 光 – 高エネルギー密度。全固体電解質を使用した後、リチウムイオン電池の適用材料システムも変わります。核心点は、リチウムインターカレートグラファイト負極を使用する必要はなく、負極として金属リチウムを直接使用することで、負極材料の量を大幅に削減できるため、バッテリー全体のエネルギー密度を大幅に向上させることができることです。
- 薄い – サイズが小さい。従来のリチウムイオン電池では、セパレーターと電解質が必要であり、これらを合わせるとバッテリーの体積の約40%、質量の25%を占めています。また、それらを固体電解質(主に有機および無機セラミック材料)に置き換えると、正極と負極(従来はダイヤフラム電解質で満たされていましたが、現在は固体電解質で満たされています)の間の距離をわずか数ミクロンから数十ミクロンに短縮できるため、電池の厚さを大幅に減らすことができるため、全固体電池技術が電池の小型化と薄型化の唯一の方法です。
- 柔軟性の見通し。脆いセラミック材料でさえ、サブミリメートルの厚さで曲げられることが多く、材料は柔軟になります。これに対応して、全固体電池の柔軟性も、ますます薄くなるにつれて大幅に向上します。適切な封止材(硬質ケーシングではない)を使用することで、製造されたバッテリーは、その性能を大幅に低下させることなく、数百から数千の曲げに耐えることができます。
- 安全。従来のリチウム電池では、次の危険が発生する可能性があります。
(1)大電流下で作業すると、リチウム樹状突起が現れ、ダイヤフラムに穴が開いて短絡損傷を引き起こす可能性があります
(2)電解液は有機液体であるため、副反応、酸化分解、ガス発生、高温での燃焼が活発化する傾向があります。
全固体電池技術を使用すると、上記の2つの問題を直接解決できます
紛争
「全固体電池は、電池技術の将来の方向性の1つかもしれませんが、最善ではないかもしれません。」新エネルギー製造会社の技術者は、「燃料電池、スーパーキャパシタ、アルミ空気電池、マグネシウム電池など、コンセプトには開発の余地がたくさんあり、最終的には、どちらのルートがより速く開発され、より地に足がついているかにかかっています」と述べています。いわゆる「ダウン・トゥ・アース」とは、商品化の規模とコストの面で完璧なバランスを実現できることを意味します。まず、使用する材料は高価で希少であってはなりません。次に、さまざまな業界や分野での大規模な応用を実現することが可能です。
おそらく、現在最もテストされている場所は価格であり、液体リチウム電池のコストは約200〜300ドル/ kWhです。既存の技術を使用して、スマートフォンに電力を供給するのに十分な全固体電池を作成すると、コストは15,000ドルに達し、自動車に電力を供給するのに十分な全固体電池のコストは驚異的な9,000万ドルに達します。Sastry氏は、全固体電池の生産コストが高い重要な理由は、生産効率の低さであると述べました。Sastry氏の計画によると、Sakti3は最終的にバッテリーのコストを100ドル/kWhに引き下げる予定だが、最終的な時期は明らかにしなかった。
理論が提案された時代から判断すると、全固体電池は新しい概念ではありませんが、長年にわたって、研究開発の進歩は想像したほど速くありませんでした。韓国のサムスンの技術者は、Sakti3が最終的にコストを削減できたとしても、バッテリーが実験室から最終的な大量生産に移行するには長い時間がかかると考えています。液体リチウム電池と同様に、1970年代には、関連する概念と実験的な認証が並行して進んでいましたが、実際の大規模な使用はすでに20世紀の終わりにありました。
