2021年に向けて新しいバッテリーテクノロジーの進歩に備える

1800年にボルタが特定の液体が化学反応の一部として電力の流れを生み出すことを発見して以来、バッテリーの時代が始まりました。ボルタが自分の名前が科学者に与えられる最大の栄誉の一つになるとは思ってもみなかったでしょうし、彼の発見が今日使用されているすべてのモバイル技術の基礎となるとは思ってもみなかったでしょう。時は流れて今日に至り、バッテリーの基本構造は1836年に初めて紹介されたダニエル電池で使用されていたものとまだ一致しています。

今日、バッテリーに関する議論は、再生可能エネルギー源の確立や電気自動車など、他の技術を可能にするための使用に焦点を当てています。バッテリー技術の歴史的および最近の進歩にもかかわらず、バッテリーをより環境に優しく、安価で、高放電時に安全にするという多くの課題が依然として残っています。しかし、多くの企業がバッテリー化学を大きく変えることなく、バッテリーの新しい材料プラットフォームの開発に取り組んでいます。

今日のバッテリーの課題

今日のバッテリーと電力貯蔵システムに存在する課題は、安全性と環境への優しさを中心に展開されています。電力供給における現在の最先端のバッテリー化学はLi-ionであり、最大の安全上の危険性を持っていますが、容量の点でニッケル金属化学と比較してもまだ優れています。リチウム化学はすでに電力供給の面でいくつかの利点を提供しているため、さらなる開発と改善の焦点となっています。その利点にもかかわらず、Li-ionバッテリーには欠点があります：

• 寿命：ここで言う寿命とは、充電容量ではなく、バッテリーの全体的な有用寿命のことを指します。Li-ionバッテリーの寿命は、充放電の深さ、充放電率、充電サイクルの回数、動作温度、およびセルの形状に大きく影響されます。

• 充放電の安全性：Li-ionバッテリーは、過熱や過充電を防ぐための電力監視および保護回路を必要とします。同様に、放電サイクル中、保護回路はセルの電圧が低すぎるのを防ぐために放電率を制限します。

• 形状対容量：スマートフォンは薄くなっていますが、バッテリーサイズはより高い容量を提供するために大きくなっています。その結果、より大きなバッテリーのためにSoCsやフレックスボードにより多くのコンポーネントが統合されています。物理的なサイズを増やさずに容量を増やすことが望ましいです。

• リサイクル性：近い将来にオンラインになると予測される新しい電気自動車の急増は、Li-ionバッテリーの寿命末期に関して深刻な懸念を引き起こしています。エネルギーのリサイクルに必要なエネルギーを減らすために、新しい材料やバッテリー構造が必要になるかもしれません。

リチウムイオンポリマーバッテリーパックは、競争力のある容量と充放電特性を備えた柔軟な形状を提供します。新しい材料を使用することで、より高い安全性と高出力、高容量を実現できます。

バッテリー技術の進歩は材料から始まる

バッテリー技術の最近の進歩は、アルカリ化学やニッケル金属化学からリチウム化学への移行に焦点を当てています。今後のバッテリー技術の進歩は、主に上記の課題に対処する材料に焦点を当てており、外部の電力管理方法やコンポーネントには必ずしも焦点を当てていません。バッテリー業界を見ると、新しい材料で革新を進めているのは二つの領域、電極と電解質です。

半多孔性アノード/カソード材料

多孔性材料は、低抵抗と高熱伝導率を提供できる限り、バッテリーアノードおよびカソード材料においていくつかのユニークな利点を提供します。後者は、電気自動車用の高出力/高容量バッテリーにおける主要な安全上の懸念を対処します。アノード材料の一例として、炭素ナノリボンでコーティングされたグラファイトがあり、これはリチウムイオンバッテリーの既存のアノードに簡単に組み込むことができます。この特定の材料の多孔性は、より大きな活性表面積を提供し、アノード端子への充放電のフラックスを増加させ、固体グラファイト電極よりも大きなリチウムイオン貯蔵を可能にします。

全固体電池

全固体電池は、可燃性の液体電解質を非可燃性の固体電解質に置き換えることができるため、関心の対象となっています。ここではリチウムも興味深い対象であり、これによりこれらのシステムの化学を保持できます。今年初め、Samsungは全固体リチウムイオンバッテリープラットフォームの開発を発表しました。Samsungのバッテリーは、金属アノードからの樹枝状成長を抑制するために、銀-炭素複合材料をアノードとして使用しました。これらのバッテリーはまだ市販されていませんが、固体電解質の使用は、今日の商業バッテリーで使用されている液体電解質に比べて安全であることが知られています。

Toyota、Nissan、VWが支援するQuantumscapeなどの企業は、電気自動車用の自社の全固体電池プラットフォームを構築しています。商業化されれば、これらのプラットフォームは電気自動車にとってゲームチェンジャーになる可能性があります。なぜなら、より長い範囲をより小さなパッケージで提供し、充電時間を延長することなく提供できるからです。これにより、安全で可能な限り高い効率を持つ車両バッテリープラットフォームをサポートするための最高の管理システムを構築することが、ボードデザイナーにとって再び焦点となります。

セパレータ材料

これはまだ科学研究の領域であり、分離膜は非常に耐久性があり多孔性である必要があります。ポリオレフィンは商業的なリチウムイオン電池の分離材として使用されており、新しい分離材料は高いイオン交換を可能にしつつ余分な熱を発生させない必要があります。また、高い機械的強度と化学的安定性も必要です。研究者たちは、電池の化学組成や電気特性に大きな変更を加えることなく、これらの要求を満たす新しい分離材料を引き続き調査しています。

分離膜材料の例。[出典]

なぜ、すでに商業化されている同じ材料プラットフォームの使用に焦点を当てるのでしょうか？業界をリードする電池（アルカリ電池やリチウム電池）で使用されている現在の化学組成は、政府の規制機関と電池業界自体によって安全性が徹底的に研究され、認定されています。材料のクラスを変更すると、化学組成も変わり、広範な評価プロセスが再び始まります。そのため、業界の多くの人々は既存の材料プラットフォームから離れることをためらっています。投資とリスクが高すぎるのです。

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