パワーリチウム電池材料の研究進歩における新たなブレークスルーとは何ですか

パワーリチウム電池技術の限界により、新エネルギー車は航続距離が短く、寿命が短く（充放電時間が短い）、減衰率が高いため、新エネルギー車の大規模応用が妨げられています。 最近、韓国と日本が動力用リチウム電池材料技術の画期的な成果を相次いで発表しており、将来的には動力用リチウム電池のコストが低下するとみられる。

第5回国家科学技術イノベーション会議と第4回電力エネルギーサミットフォーラムで、北京工業大学のウー・フェン教授と出席者は、電力用リチウム電池と関連材料の研究の進捗状況を共有した。

国の大きな需要により、パワーリチウム電池の開発は新たな飛躍を促進しました。 安全性を確保しながら、高エネルギー、高出力、長寿命、低コスト、無公害の新しいタイプのパワーリチウム電池が産業を形成し、さまざまなユーザーのニーズに応じて市場に参入しています。 Wu Feng氏は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、高比エネルギー新システム電池、スーパーキャパシタの技術統合が非常に重要であると述べた。 この技術統合自体も技術革新です。 インターネットとともに中国における新型二次電池開発の新たな章が幕を開ける！

パワーリチウム電池の開発では、次の問題に直面しています。新世代の高比エネルギー電池を構築できるか? バッテリーの安全性と信頼性の問題を解決できるでしょうか? バッテリーの長寿命化は実現できるのでしょうか？ バッテリーの費用対効果は改善できるでしょうか?

2015 年、動力用リチウムイオン電池のエネルギー密度指数は 120-180Wh/kg で、重要な材料系はリン酸鉄リチウムグラファイトと三元グラファイトでした。 2020 年の新世代パワーリチウムイオン電池のエネルギー密度指数は、リッチリチウム (250mAh/g) - シリコンカーボン負極: 電池セル 300Wh/kg です。

パワーリチウムイオン電池のエネルギー密度の向上は、正極材料と負極材料に関係するだけでなく、使用される電解質に対するより高い要件も必要とします。 Wu Feng 氏は、NCM 三元正極材料と Si/C 負極材料を使用すると、エネルギー密度 319Wh/kg の高比エネルギーリチウムイオン電池を製造できると述べました。

300Wh/kg 出力リチウム電池の材料系に関する研究の進捗状況に関して、Wu Feng 氏は、高ニッケル三元正極材料におけるリチウムニッケル混合現象に対する二価ニッケル含有量の影響について次のように述べています。 NCM811を研究しました。 化学量論比のリチウムを添加すると、材料中の二価ニッケルの含有量が増加し、それによって材料中のリチウムニッケルの混合が減少し、材料のサイクル安定性能が向上することが判明した。 さらに、010 結晶面の成長に優れた高ニッケル三元正極材料 (LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2) が調製され、電気化学測定により、この材料が優れたレート特性を有することが示されました。 また、電気化学的に活性な表面優位性の成長を備えた球状階層構造を設計および開発し、リチウムイオン電池用のリチウムリッチなマンガンベースの材料のレートサイクル特性とレート性能を大幅に改善します。

負極材料の研究では、バインダーを使用しないSiO/CNx複合電極を直接塗布法により合成した。 窒素含有カーボンメッシュは、サイクリングプロセス中の体積変化を緩衝し、SiO 表面に良好な導電ネットワークを形成し、電子伝達のための安定したチャネルを提供します。 そして、高エネルギーボールミリング法を使用して、Si/Ni/グラファイト複合材料を合成しました。 金属 Ni とグラファイトが絡み合って良好な導電ネットワークを形成し、ナノ結晶 Si が SiOx マトリックスにその場で埋め込まれ、SiOx の電気化学的活性が向上しました。

機能性電解質の研究では、高電圧リチウムイオン電池正極材料の安全性とサイクル安定性を大幅に向上させるケイ酸リチウムを含む新しいタイプの泥電解質を設計・開発しています。 さらに、安全な機能性電解質および添加剤が開発されています。イミダゾリノン、ピリジン環イオン液体、および難燃性リン酸塩添加剤が、ブテン亜硫酸塩などの皮膜形成添加剤と組み合わされて、難燃性と電気化学適合性を備えた一連の機能性電解質システムを開発しています。 、リチウムイオン電池の安全性、信頼性、温度適応性が大幅に向上します（温度範囲が -20 度から +60 度、-40 度から +80 度に拡大） 。 そして、広い電気化学窓、高い熱安定性、および室温でのイオン伝導率 10-3S/cm を備えたメソポーラス SiO2+ イオン液体ネットワーク構造を持つ固体電解質が開発されました。新しい高比エネルギー電池の安全性の問題を解決するための物質的なサポートを提供します。

二次電池は電池材料の研究のみならず、国民経済や国民生活のさまざまな分野に浸透しています。 電池の生産量は急激に増加し、社会に環境と資源に対する多大な圧力をもたらしています。 中国における新エネルギー車の販売予測によれば、2020年には動力用リチウム電池の需要だけでも300億ワットアワーに達し、環境への悪影響はますます深刻になる。 リチウム資源もますます不足するだろう。 環境に優しい天然有機酸回収技術の採用により、海外の強酸を用いたプロセス技術を上回る、環境に優しい廃リチウムイオン電池の効率的回収（リチウム浸出率98％、コバルト浸出率94％）を実現強酸回収処理における二次汚染を防止します。

動力用リチウム電池用新材料の研究開発が進展

私たちは材料に関して良い結果を達成したいと心から願っていますが、それは私たちにとって非常に難しいことです。 企業の観点から見ると、安全性、信頼性、コストの技術指標は一連の要件を提示しており、その中でも収益指標と長期開発指標は非常に高いものとなっています。 政府と州は、電源用リチウム電池に対する非常に高いエネルギー密度の要件を提唱しています。 今年発表される新エネルギー車や基礎研究プロジェクトなどのプロジェクトでは、リチウムイオン電池のエネルギー密度が400Wh/kgに達し、新しいシステム電池サンプルのエネルギー密度が500Wh/kgに達することが期待されている。 同社にとって 300Wh/kg も容易ではなく、多くの新しいシステムを開発する必要があります。 「中国製造2025」の要件は400wh/kg以上の重量を達成することだが、提案されている一部の方式では電池というキーワードの間には依然として大きな隔たりがある。

製品指標の観点から、各国政府の関連要件を比較してみましょう。 先ほど「中国製造2025」について触れましたが、以下は日米の競争です。 今年は 3 つの特別プロジェクトが開始され、そのすべてに動力用リチウム電池が関係しています。

将来的には400wh/kgを達成したいと誰もが望んでいますが、なぜこの指標を設定するのでしょうか？ 主にリチウムイオン電池の安全性を考慮したためです。 BAIC New Energy EV200を例にとると、100キロメートルあたりのエネルギー消費量は14kWhで、寿命要件は10年20万キロメートルです。 しかし、現在ではコストは大幅に削減されています。 将来のパワーリチウムイオン電池の開発により、同じ航続距離を達成するには、現状に比べてコストが大幅に高くなるでしょう。 したがって、電気自動車の動力用リチウムイオン電池が高エネルギーに発展しなければ、将来的に純粋な電気自動車の競争はさらに激しくなり、燃料電池に圧倒される可能性さえある。

実際の開発の観点から見ると、全体的な開発はゆっくりとしていますが、比較的安定しています。 最も重要なことは、技術と材料のアップグレードと置き換えです。 このルートをたどったとしても、現在の開発スピードを維持できれば、2020 年までに 1 キログラムあたり 300 ワット時、2030 年までに 1 キログラムあたり 390 ワット時を達成できます。このロードマップを段階的に達成するにはどうすればよいでしょうか? 第二に、キログラムあたり 400 ワット時、あるいはそれ以上を達成できるでしょうか?

液体電解質リチウムイオン電池は 3 世代に渡って開発されており、昨年には詳細な導入が行われました。 重要なことは、正極材料のそれぞれがアップグレードおよび交換され、電圧や容量が増加しているということです。 負極の側面における重要な変化は、セラミックコーティングされたセパレーターなどのいくつかの技術とともに、エネルギー電池の電解質にナノシリコンカーボンが導入されたことです。 私たちが今注目しているリチウムイオン電池はどこまで作れるのでしょうか？ エネルギー密度が低いということは確かに非常に優れており、安全性はもちろんのこと、リサイクル性を犠牲にして高エネルギーを実現しています。 ただし、リサイクル性を向上できないわけではありませんが、詳細かつ基礎的な研究が必要です。 これは、資料に関する意見が増えているフランスの調査会社です。 今では多くのチームや同僚がこの機能についてよく知っているので、詳しくは説明しません。

しかし、電池材料には多くの課題や要求性能があり、それらを総合的に解決するために少なくとも13以上の技術が採用されています。 各ワイヤーには多くの詳細な技術とコンテンツが含まれています。 材料を交換すると、バッテリー全体に複雑な変化が生じます。このバッテリー材料の開発は特に遅く、通常は 10 年以上かかります。多くのチームや企業がすでに 1 キログラムあたり 300 ワット時を達成するリチウムイオン電池を開発しています。 この分野で現在最も難しい問題は、負極の容量が大きいと体積が大きく膨張することです。これは電池レベルで対処するのが非常に困難です。 中心的な問題は、現在の電池会社の要件を満たすために充電後の体積の拡大をどのように解決するかです。 さらに、これらの高エネルギー密度の実装は可能ですが、その包括的なアクセス指標はアプリケーションの要件を満たすことができますか? どのような上限なのかはわかりませんが、解決策はいくつかあります。 時間の関係については詳しく説明しません。 この分野で技術を交換する機会を持つ皆様を歓迎します。

さらに、政府は 400wh/kg と 500wh/kg を生産する必要があります。 計算の結果、黒鉛負極とシリコン負極金属リチウムを含むモデルが得られます。 800ワット以上になればまだチャンスはある。 400wh/kg と 500wh/kg についてはまだいくつかの解決策がありますが、達成するのは非常に困難です。 NCは最大200、負極リチウムは300に達する可能性があり、さまざまな負極材料には体系的な計算が必要です。計算の観点から、マッチングによって高密度を達成する正極材料と負極材料がまだいくつかあるようです。 これまでの計算はすべて仮想的なもので、これに関しては中国科学院の取り組みだった。 研究開発成果を強化し、経済発展を促進し、現実的な問題を解決するために、中国科学院は戦略的パイロットAクラスプロジェクトを立ち上げた。 これらのプロジェクトの 1 つは、過去 20 年間にわたってアカデミーが研究してきたナノテクノロジーを集中的に支援することを目的としたナノマテリアル プロジェクトです。 これが業界に役立つことが期待されます。 これらのプロジェクトの最初のものはパワーリチウム電池であり、ナノ材料とナノテクノロジーが使用される可能性があります。

この種のプロジェクトの要件は、もともとこのプロジェクトの責任者であったイン副大臣とジュン副大臣によって提案されました。 私たちの仕事には明確な目標があり、使いやすく、評価できるものでなければなりません。 第三者評価を経て、使用されている素材や技術のレベル、影響の有無、能力への影響などを評価する指標が多数あります。 したがって、この種のプロジェクトは非常に困難です。 同氏は具体的な指標を提案し、国は2020年までに1キログラム当たり300ワット時、2015年までに1キログラム当たり150ワット時を達成することを提案した。正極電解液やセパレーターなどの関連電池材料の工業化も開始すべきである。 。 このプロジェクトを完了するために、いくつかの重要なタスクが設定されています。 1つは、予算の60％をリチウムイオン電池の運営費の70％に割り当て、高エネルギー正極と負極、高電圧電解質、および電力用リチウムイオン電池に組み込まれる高安全性セパレータの開発である。 長期的には全固体電池を配置す​​る必要があり、空気電池もその点で整備されています。 また、今朝、チェン先生はテストのレベルについても言及しました。 中国ではまだテストレベルがある程度ですが、2 つのプラットフォームが確立されています。 簡単に結果を報告させていただきます。 12 のユニットがあり、約 300 人の研究開発チームがさまざまな側面をカバーしています。 一つはシリコン負極でございますが、私はこの分野の科学技術の研究開発に19年間取り組んできましたが、これはなかなか難しいものです。 私は最近、アプリケーションの観点からこのプロジェクトを開発しています。重要な技術ルートには、SiOx/C と Nano Si の 2 つのカテゴリが含まれます。 重要なのは、総合的なテクニカル指標を継続的に反復することです。 2013 年にサポートを受けてからは、主に包括的な設計上の考慮事項に基づいて、バッチ サイズ 500 キログラムを達成することができました。 ここで私が実証しているのは、私たちのアイデアは現実のものではないということです。 添加剤などの輸入は依然として非常に困難であり、ナノ議論の難しさは、ナノシリコン1キログラム当たり100元をどうやって入手するかである。

ナノシリコンを粒子中に均一に分散させるにはどうすればよいでしょうか?

現在私たちが実現しているのは、ナノシリコンを粒子状に分散させ、量産可能な材料です。 毎時 450 ミリアンペアの材料では、通常、約 500 回サイクルできる大容量負荷になります。 しかし、以前に開発された酸化シリコンはまだ開発中ですが、効率が低く、ナノシリコンカーボンの高容量は満足のいく解決策ではありません。 したがって、私たちは、それがもたらす課題を軽減する、シリコンを豊富に含む新世代の酸化物材料を開発しています。

この新素材会社は現在中国で3位か2位にランクされており、一連の技術的問題を解決している。 それについては詳しく説明しません。 負極材料は進歩してきましたが、正極材料の蓄積は比較的少ないです。 このプロジェクトのサポート後は、高容量レベルに焦点を当てることが重要です。 この材料の難しい点は電圧の減衰です。 この研究では、電圧減衰の問題を解決するために表面構造を再構築することが重要です。 したがって、試しに始めることができます。 今年は５００キロ台だ。

もう 1 つの材料は、切り替えが比較的簡単な高電圧スピネルです。 最も難しいのは、この材料を使用した後、電解質などの側面を総合的にアップグレードする必要があるため、この側面、特に55度の高温の問題についてはまだ改善する必要があることです。 高電圧リチウムリッチ材料の問題を解決するために、これは非常に重要であると同時に、中国にとって非常に困難でもあります。 現在では、高電圧下でも比較的安定して循環することができ、電解液には添加剤も含まれています。 セパレータをそのまま使うのはまだ少し問題があると感じているので、セラミックセパレータを開発し、基材に高温に強いセルロースを使用する必要があります。 しかし、これは最終的に当社のバッテリーには使用できないようです。 重要なのは一貫性と安定性です。 現在は小規模から中規模のテスト段階だが、将来に期待が持てる。 実際、セルロースセパレータとセラミック粒子を用いたイオン伝導性コーティングセパレータも開発しました。

グラフェンは古くから開発されており、そのコーティング技術は数十トンの量産レベルを達成できます。 同じ材料を使用して予備バッテリーが作成され、1 キログラムあたり 375 ワット時を達成できます。 ただし、リサイクル性が悪く、容量が少ないためサイクリングには向いていません。 重要なことは、大量膨張下での一連の副資材の問題をどのように解決するかです。

最後に固体金属リチウムを紹介します。 理論計算の観点から見ると、リチウムイオン電池の性能は向上しています。 酸素、水、二酸化炭素などの異なる電池システムを含む、金属リチウムイオン電池や空気電池などのリチウムイオン電池を使用する可能性もあります。 先ほど計算した結果では、緑色の金属リチウムの方が性能が高く、シリコン負極の方が強力であることがわかります。 2000mAhのシリコンを使用した場合、200mAh以上の膨張に比べて、リチウムの膨張は比較的容易に解決されます。 高エネルギーの電力に影響を与える場合、ポストバッテリーを使用するというアイデアはまだ使用できますが、機構などの点でまだいくつかの課題があります。

金属リチウムイオン電池は 50 年以上にわたって開発されており、特に 1980 年代と 1990 年代に深刻な問題が発生しましたが、現時点では金属リチウムイオン電池が安全であることを示す証拠はありません。 金属リチウムイオン電池を改造に使用する場合の問題点は、グラファイトやシリコンとは異なり、不均一な析出や析出が発生することです。 第二に、SEI フィルムは不安定であるため、多くの人がこの問題を解決するために固体ソリューションを使用することを望んでいます。 ソリッドステート技術の重要な点は、理論的に解決できるため、サイクル係数の利点だけでなく、多くの安全性と利点があることです。 さらに、ポリマーベースなどの内部ストリングや液体電解質の添加にも使用できます。 国際的に多くの企業が多額の投資を行っていますが、実用的な観点から見ると、高エネルギー密度の電池はまだ開発されていません。ここでの重要な問題は、正極の抵抗をどのように解決するかです。

産業発展の観点から見ると、全固体電池の違いは固体電解質であり、金属リチウムイオン電池が使用される場合があります。 リチウムイオン電池も非常に強力であり、実際に業界の発展に貢献しています。 電池セル技術の主要な材料を突破できれば、すぐに市場に投入できるようになります。 したがって、私たちはいくつかのロードマップを提案しました。おそらく最も早いバッテリーパックの生産は2019年であり、2020年には商品化レベルをテストすることが可能です。 一部の全固体電池はまだ比較的遅いですが、実際の全固体電池はさらに時間がかかる可能性があります。 液体含有量がわずかに多いバッテリーは、エネルギー密度と安全性のバランスが取れているため、速度が速くなります。

韓国：パワーリチウム電池の容量が45%増加

学術誌「Natural Energy」オンライン版の情報によると、韓国の蔚山科学技術院（UNIST）の研究チームは最近、既存の電池容量を増加させることができる二次電池用正極材料を開発したという。 45% となり、電気自動車の航続距離は現在の 200 キロメートル以上に少なくとも 100 キロメートル追加されます。

研究チームは、既存の電池を黒鉛電極に置き換えるグラファイトシリコン複合材料を開発することで、電池容量を増やすことに成功した。 新しい電極は、グラファイト分子の間に20ナノメートル（10億分の1メートル）サイズのシリコン粒子を注入することによって作られています。 新技術は航続距離の延長に加え、充放電時間を大幅に短縮し、バッテリーの充放電速度も従来のバッテリーより30％以上高速化した。

業界は、このような新しい電池の大量生産が容易になり、将来的には強力な価格競争力を持つようになると期待しています。

日本：コバルトを必要としないリチウムイオン電池を開発

パナソニック電器の情報によると、日本はレアメタルのコバルトを必要としないリチウムイオン電池の新素材を開発し、新型リチウムイオン電池も開発したという。

パナソニック電器京都大学の吉田潤一教授らの研究チームは、リチウムと炭素を使った有機新素材を開発し、電極材料にコバルトを使わない新型リチウムイオン電池の製造に成功した。 実験結果は、新しい材料で製造された電池は、電極としてコバルト含有材料を使用したリチウムイオン電池と同じ容量を有することを示しています。 このタイプのリチウムイオン電池はコバルトへの依存から脱却し、生産コストの大幅な削減が期待されています。

この新しい材料でリチウムイオン電池を製造するもう 1 つの利点は、電池寿命が長くなり、減衰率が低いことです。 実験結果によると、この新材料で製造されたリチウムイオン電池は100回充放電を繰り返しても、電池の容量劣化は20％を超えないことがわかりました。 パナソニック電工はこの新材料を改良し、電池の充放電回数を500～1000回に増やし、商業生産を進める計画だ。