リチウムイオン電池が急速充電できない理由

リチウムイオン電池の純粋な電気自動車にとって、充電の難しさは依然として大きな問題であるため、「急速充電」は多くのメーカーの仕掛けとなっています。私の個人的な意見では、リチウム電池の急速充電問題は 2 つのレベルから分析する必要があります。

電池セルの観点から見ると、リチウムイオン電池のレート性能は、正極/電解質/負極材料の組み合わせ系の固有の伝達特性によって制限され、その一方で、電極プロセスおよびセル構造設計によっても制限されます。レートのパフォーマンスに大きな影響を与えます。
ただし、最も本質的なキャリア伝導と輸送挙動の観点から、リチウム電池は急速充電には適していません。リチウム電池システムの固有のキャリア伝導および輸送挙動は、正極材料と負極材料の導電率、リチウムイオンの拡散係数、有機電解質の導電率など、いくつかの主な要因によって決まります。埋め込まれた反応機構に基づいて、正極材料（一次元イオンチャネルのオリビン、二次元チャネルの層状材料、三次元チャネルのスピネル正極材料）および負極グラファイト負極におけるリチウムイオンの拡散係数電極材料 (層状構造) は一般に、水系二次電池における不均一酸化還元反応の速度定数よりも数桁低いです。

 

 

さらに、有機電解質のイオン伝導率は、水系二次電池電解質 (強酸または強塩基) のイオン伝導率よりも 2 桁低くなります。リチウム電池の負極表面にはSEI膜の層があり、実際、リチウム電池のレート性能はSEI膜中のリチウムイオンの拡散によって大きく左右されます。有機電解液中の粉末電極は水系に比べて分極が非常に厳しいため、高倍率または低温条件下では負極表面にリチウムが析出しやすく、安全上重大な危険が生じます。
さらに、高速充電条件下では、正極材料の格子が損傷しやすく、負極のグラファイト層も損傷する可能性があります。これらの要因により容量の劣化が促進され、動力用バッテリーの耐用年数に重大な影響を与えます。したがって、埋め込まれた反応の本質的な特性により、リチウムイオン電池は高速充電には適さないことがわかります。研究の結果、急速充電および急速放電モードでの個々のバッテリーのサイクル寿命が大幅に減少し、使用後の段階でバッテリーの性能が大幅に低下することが確認されました。

もちろん、読者の中には、チタン酸リチウム電池は高速で充電および放電できるのかと疑問に思う人もいるかもしれません。
チタン酸リチウムのレート性能は、その結晶構造とイオン拡散係数によって説明できます。しかし、チタン酸リチウム電池のエネルギー密度は非常に低く、その電力使用はエネルギー密度を犠牲にすることによって達成されるため、チタン酸リチウム電池のエネルギー単価が高くなります。費用対効果が低いため、チタン酸リチウム電池はリチウム電池開発の主流になり得ないと判断されています。実際、近年の日本における東芝SCiB電池の販売低迷傾向は、すでに問題を示しています。
セルレベルでは、電極を薄くしたり、導電剤の割合を増やしたりするなど、電極プロセスやセル構造設計の観点からレート性能を向上させることが一般的な技術手段となります。さらに悪いことに、一部のメーカーは、バッテリーセルからサーミスターを取り外したり、集電体を厚くしたりするなど、極端な方法に頼っています。実際、多くの国内パワーバッテリー企業は、自社の LFP パワーバッテリーの 30 ℃、さらには 50 ℃ での高レート データを技術的なハイライトとみなしています。
ここで著者が指摘したいのは、試験方法としては理解できるが、重要なのは電池セルの内部でどのような変化が起こったかということだ。長期間の高倍率充放電により、正負極材料の構造が損傷し、負極からすでにリチウムが析出している可能性があります。これらの問題を明確にするためには、いくつかのその場検出法 (SEM、XRD、中性子回折など) を使用する必要があります。残念ながら、これらの現場検出手法を国内の電池会社に適用した報告はほとんどありません。
著者はまた、リチウムイオン電池の充電プロセスと放電プロセスの違いに注意を払うよう読者に注意を促しています。充電プロセスとは異なり、リチウムイオン電池は、他の水ベースの二次電池と同様に、急速充電ほど高いレートで放電する (外部仕事を行う) 場合ほど深刻な損傷をバッテリーに引き起こしません。しかし、電気自動車の実用化には、大電流放電よりも高率充電（急速充電）の需要が急務であることは間違いありません。

バッテリーパックのレベルでは、状況はさらに複雑になります。充電プロセス中、異なる個々のバッテリーの充電電圧と電流は一貫していないため、必然的にパワーバッテリーの充電時間が個々のバッテリーの充電時間を超えます。これは、従来の充電技術でも 1 つのバッテリーを 30 分で半分の容量まで充電できますが、バッテリー パックではこの時間を確実に超えてしまうということを意味しており、これはある意味、急速充電技術の利点があまり明らかではないことを意味します。
さらに、リチウムイオン電池の使用（放電）中、容量の消費は放電時間に直線的な関係はなく、時間の経過とともに急速に減少します。たとえば、ある電気自動車のフル充電時の航続距離が 200 キロメートルである場合、通常で 100 キロメートル走行した後でも、動力​​バッテリーの容量はまだ 80% 残っている可能性があります。バッテリー容量が 50% のままの場合、電気自動車は 50 キロメートルしか走行できない可能性があります。
リチウムイオン電池の特性から、パワーバッテリーの半分または80％を充電しただけでは、電気自動車の実際の使用ニーズを満たすにはまったく不十分です。たとえば、テスラが広く宣伝している急速充電技術は、私の意見では、実際には実用的なものではなく、単なるギミックです。さらに、急速充電はバッテリーの寿命と性能を著しく低下させ、安全上の危険をもたらします。
リチウム電池は本質的に急速充電には適していないため、理論的には、電池交換モードにより急速充電の欠点を補うことができます。動力用バッテリーをプラグインタイプに設計すると、車両全体の構造強度の問題や電気絶縁の問題、バッテリー規格や言い訳などの超難題が発生する可能性がありますが、個人的にはこの方式が技術的に実現可能な解決策であると考えています（あくまでも、技術レベルで）リチウムイオン電池の急速充電の問題を解決します。
著者の意見では、「バッテリーレンタル+バッテリー交換モデル」が世界規模で成功した前例がない理由は、消費者の習慣（車の所有者はバッテリーも車と同様に自分の私有財産であると信じている）だけではなく、技術標準の背後に隠れた恩恵が膨大に分散されているためです。高度に市場志向の西側諸国では、この問題を解決することは中国よりもはるかに困難です。私の個人的な意見では、バッテリー交換モードは、今後中国のバスやタクシーなど純粋な電気自動車が主に使用される分野において、大きな発展の可能性を秘めているのではないかと考えています。