二酸化炭素排出量削減の緊急の必要性により、交通機関の電化と送電網への太陽光発電と風力発電の導入拡大に向けた動きが急速に進んでいます。これらの傾向が予想通りにエスカレートすると、電気エネルギーを貯蔵するより良い方法の必要性が高まるでしょう。
エスター・アンド・ハロルド・E・エドガートン校の材料科学および工学准教授であるエルサ・オリベッティ博士は、気候変動の脅威に対処するにはあらゆる戦略が必要だと述べています。グリッドベースの大容量ストレージ技術の開発が重要であることは明らかです。しかし、モバイルアプリケーション、特に交通機関については、今日の状況に適応することに多くの研究が焦点を当てています。リチウムイオン電池より安全で、より小さく、そのサイズと重量に対してより多くのエネルギーを蓄えることができます。
従来のリチウムイオン電池は改良を続けていますが、その構造の一部に起因する限界がまだ残っています。リチウムイオン電池は、有機 (炭素を含む) 液体に挟まれた 2 つの電極 (1 つは正極、もう 1 つは負極) で構成されています。バッテリーが充電および放電されると、帯電したリチウム粒子 (またはイオン) が液体電解質を通って一方の電極からもう一方の電極に移動します。
この設計の問題の 1 つは、特定の電圧と温度では液体電解質が揮発し、発火する可能性があることです。オリベッティ氏のグループの研究員、ケビン・ファン博士'15によると、バッテリーは通常の使用では通常安全だが、リスクは依然としてあるという。
もう一つの問題は、リチウムイオン電池が自動車での使用に適していないことです。大きくて重いバッテリーパックはスペースを取り、車両の総重量を増加させ、燃料効率を低下させます。しかし、今日のリチウムイオン電池をエネルギー密度（重量1グラムあたりに蓄えられるエネルギー量）を維持しながら小型化、軽量化することは困難であることが判明している。
これらの問題を解決するために、研究者たちはリチウムイオン電池の主要な機能を変更して、全固体バージョン、またはソリッドステートバージョンを作成しています。彼らは、中間の液体電解質を、幅広い電圧と温度にわたって安定した薄い固体電解質に置き換えています。この固体電解質では、高容量の正極と、通常の多孔質炭素層よりもはるかに薄い高容量のリチウム金属負極が使用されました。これらの変更により、エネルギー貯蔵容量を維持しながらセル全体を大幅に小型化できるため、エネルギー密度が向上します。
これらの機能 - 安全性の向上とエネルギー密度の向上- おそらく、全固体電池の可能性について最も一般的に宣伝されている 2 つの利点ですが、これらはすべて将来を見据えた期待されており、必ずしも達成できるわけではありません。それにもかかわらず、多くの研究者はこの可能性を考えて、この約束を実現する材料と設計を見つけようと躍起になっています。
研究室の枠を超えて考える
研究者たちは、実験室で有望と思われる興味深いシナリオを多数考案しました。しかし、オリベッティ氏とファン氏は、気候変動問題の緊急性を考慮すると、追加の実践的な考慮事項が重要である可能性があると考えている。私たち研究者は、考えられる材料やプロセスを評価するための指標を常に研究室に持っています、とオリベッティ氏は言います。例としては、エネルギー貯蔵容量や充電/放電速度などが挙げられます。ただし、実装が目的の場合は、迅速なスケーリングの可能性に特に対処するメトリクスを追加することをお勧めします。
材料と入手可能性
無機固体電解質の世界には、酸素を含む酸化物と硫黄を含む硫化物の主に 2 種類の材料があります。タンタルは、スズとニオブの採掘の副産物として生成されます。過去のデータは、スズとニオブの採掘中のタンタルの生産量がゲルマニウムの生産量よりも潜在的な最大値に近いことを示しています。したがって、タンタルの入手可能性は、LLZO ベースのセルのスケールアップの可能性にとって大きな懸念事項です。
ただし、地中の元素が入手可能かどうかを知っても、それを製造業者の手に渡すために必要な手順は解決されません。そこで研究者らは、採掘、加工、精製、輸送などの重要な要素のサプライチェーンに関する追加の疑問を調査した。供給が豊富であると仮定すると、これらの材料を配送するためのサプライチェーンは、増加する需要に対応できるほど迅速に拡張できるだろうか。バッテリーの需要は？
サンプル分析では、2030年に予想される電気自動車にバッテリーを供給するために、ゲルマニウムとタンタルのサプライチェーンが毎年どれだけ成長する必要があるかを調査した。一例として、2030 年の目標としてよく挙げられる電気自動車の車両では、合計 100 ギガワット時のエネルギーを供給するのに十分なバッテリーを生産する必要があります。この目標を達成するには、LGPS バッテリーのみを使用してゲルマニウムのサプライチェーンを前年比 50% 成長させる必要がありますが、これまでの最大成長率は約 7% であったため、これは大幅な伸びです。LLZO セルのみを使用すると、タンタルのサプライチェーンは約 30% 成長する必要があります。これは、歴史上の最大値である約 10% をはるかに上回る成長率です。
これらの例は、さまざまな固体電解質のスケールアップの可能性を評価する際に、材料の入手可能性とサプライチェーンを考慮することの重要性を示している、とフアン氏は述べています。将来の電気自動車の生産に合わせたサプライチェーンの段階では、事実上前例のない成長率が必要になる可能性があります。
素材と加工
バッテリー設計の拡張性の可能性を評価する際に考慮すべきもう 1 つの要素は、製造プロセスの難しさとそれがコストに与える影響です。全固体電池の製造には必然的に多くのステップが含まれており、いずれかのステップで失敗すると、製造に成功したセルのコストが増加します。
Olivetti、Ceder、Huang は、製造の困難さの代用として、データベース内の選択された固体電池設計の総コストに対する故障率の影響を調査しました。一例として、彼らは酸化物 LLZO に焦点を当てました。LLZO は非常に脆く、高性能全固体電池に使用できるほど薄い大きなシートは、製造プロセスに含まれる高温で亀裂や反りが発生する可能性があります。
このような故障がコストに与える影響を判断するために、彼らは LLZO セルの組み立てに含まれる 4 つの主要な処理ステップをシミュレートしました。各ステップで、想定される収量、つまり失敗することなく正常に処理された細胞の総数の割合に基づいてコストを計算しました。LLZO の場合、歩留まりは調査した他の設計よりもはるかに低かった。さらに、収量が減少するにつれて、セルエネルギーのキロワット時 (kWh) あたりのコストが大幅に増加しました。たとえば、最終のカソード加熱ステップに 5% 多くのセルを追加した場合、コストは約 30 ドル/kWh 増加しました。このようなセルの一般に受け入れられている目標コストが 100 ドル/kWh であることを考慮すると、無視できる変化です。明らかに、製造上の困難は、設計の大規模採用の実現可能性に重大な影響を与える可能性があります。
投稿時間: 2022 年 9 月 9 日