電気自動車におけるリチウムイオン電池の進歩と課題

最近、ドイツのミンスター大学のTobiasPlacke教授とMartinWinter教授（コミュニケーションの著者）が、Natureenergyに関する総合記事「リチウムベースのregeablauteotiticebettersのパフォーマンスとコソフィマテリアル」を公開しました。この論文では、特にコストと性能パラメータの観点から、電気自動車のリチウムイオン電池材料の進歩と課題をレビューします。ポジティブおよびネガティブ材料の製造プロセスについて説明し、材料の豊富さとコスト、および電気自動車に対するさまざまな電解質の利点と課題を強調します。最後に、有望な化学電池のエネルギー密度とコスト、および電気自動車の推進目標を達成する可能性を厳密に評価します。

[前書き]

1900年から1912年までは、電気自動車の歴史の黄金時代でした。 1912年までに、米国での電気自動車の使用は3万台に達しました。これらの電気自動車の電力は主に鉛蓄電池（LAB）でした。バッテリー電圧は約2Vです。 LABの品質利用率と充放電メカニズムが悪いため、実際の容量は40 Wh / kgと90Wh / lであり、クーロン効率とエネルギー効率は80％と70％であるため、このタイプの電気自動車は車は内燃機関車を交換しました。技術の進歩と環境意識の高まりに伴い、自動車の排出ガスを削減することが不可欠です。電気自動車はもう1つの黄金時代に入ります。2016年には、16万台のハイブリッド電気自動車（PHEV）が米国で販売されます。

ニッケル水素（NiMH）バッテリーは、ハイブリッド電気自動車（HEV）の主な選択肢です。 NiMHバッテリーの公称バッテリー電圧は1.2Vで、80 Wh / kgと250Wh / lの容量を提供できますが、そのクーロン効率（70％）とエネルギー効率（65％）はLABよりもさらに低くなっています。 。

現在、PHEVと電気自動車（BEV）は、最大260Wh / kgと700Wh / lの容量に加えて、より高いクーロン比（99％）とエネルギー効率（最大95％）を提供するリチウムイオン電池（LIB）のみを使用しています。 ）。マスマーケットへの浸透を実現するために、米国エネルギー省とAdvanced Battery Associationは、少なくとも500 kmの走行距離が必要であると見積もっています。これは、バッテリーパックのバッテリー容量が235Wh / kgに達する必要があることに相当します。 500Wh / l、バッテリーユニットのバッテリー容量は350Wh / kgに達する必要があります。さらに、750Wh / lの場合、バッテリーパックのコストは125US $ kWh–1未満である必要があります。

【ネガティブ素材】

人工黒鉛（SG）と天然黒鉛（NG）およびアモルファスカーボン（ハードカーボンとソフトカーボン）は、より一般的に使用されるカーボンネガティブ材料です。 NGと比較して、SGは高純度で低揮発性です。通常、PとEの比率を最適化するなど、アモルファスカーボンとグラフカーボンの混合物で最適化されます。現在、一部の商用バッテリー（PanasonicやHitachiなど）では、少量のシリコン（主にSiOx）がバッテリー容量をさらに増やすためのカーボン電極。

さらに、チタン酸リチウム（LTO）は、バッテリー電圧が低く（この場合、形成されたフルバッテリー電圧）、電力容量が大きいため、商用バッテリー（東芝のSCiBなど）でも使用されています。LTOベースのバッテリーの方が適しています。ハイパワーアプリケーション、特に電気バス用。リチウム金属は、特に現在リチウム金属ポリマー電池で使用されているセラミックまたはポリマー電解質を使用する全固体電池（ASSB）において、将来的に最も有望な負極材料であると考えられています。

現在、SGの市場シェアは43％、NGの市場シェアは46％（2016年のデータ）ですが、アモルファスカーボンはわずか7％であり、カーボンベースの負極性材料の優位性を明確に示しています。対照的に、LTOベースおよびシリコンベースの負極材料は約2％しか占めていません。

【ポジティブ素材】

LIBの商品化以来、正の極はバッテリーの全体的な容量のボトルネックになっています。自動車用電池の正極性活物質の主な要件には、高い比容量、高い放電電位、高い安全性、高いエネルギー密度、迅速な電池反応速度論、および優れた安定性が含まれます。現在、この技術は、ニッケル、コバルト、マンガン（NMC）またはニッケルなどの遷移金属（M）を含むLiMO2タイプの層状酸化物正極でより成熟しており、コバルトとアルミニウム（NCA）は自動車用バッテリー正極に広く使用されています。活物質。

電気自動車のバッテリー

近年、電気自動車の容量は増加を続けており、300kmの走行距離を達成することができました。市場の振興、LIBS研究への多額の投資により、そのエネルギー成長率は非常に大きい。現在、円筒形の18650バッテリーのエネルギー密度に達することができます（約250Wkg-1および670Wkg-1）。電気自動車の用途では、プリズム、円筒形、バッグ状など、さまざまな形状のバッテリー構造が設計され、特定の状況で使用されています。ほとんどのEVバッテリーはグラファイトの負極をベースにしており、最近の研究では負極に少量のシリコンが追加されています。シリコンを負極にうまく追加できれば、サイクル寿命が短くなるだけでなく、エネルギー密度がさらに向上します。

現在、NCA、NMC-532、およびNMC-622は、主に体積膨張が小さいため、最も先進的なポジティブ材料と見なすことができます。リン酸鉄リチウム（LFP）正極材料は、電気自動車で広く使用されています。アプリケーションの規模は現在最大です。これは、LFPの優れた安定性と、バスやトラックなどの優れたサイクル寿命とレシオ性能によるものです。広く使用されています。

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