リチウム電池は天井にぶつかりましたか？

3月1日、4つの省庁は、自動車用パワーバッテリー産業の発展のための行動計画を発表しました。これは、バッテリーの性能、生産能力、安全性、材料、および機器に関する明確な要件を定めています。 1,000億ワット時の飛躍的な開発の見通しに直面して、業界は「無限の」新技術にどのように直面すべきでしょうか。

記者は最近、中国科学院の学者であり、清華大学の材料科学工学研究所の学部長であるナン・シーベンにインタビューした。全固体リチウム電池は安全性と性能を大幅に向上させると彼は信じていますが、工業化する前に、継続的に改善する必要があります。技術があります。将来的には、新しい材料の継続的な発見により、リチウム電池技術と産業開発スペースは無限大です。

セキュリティ問題を解決するための「ゴールデンキー」

記者：2017年、電気自動車の急速な拡大に伴い、安全性がかつてないほど注目されています。従来のリチウムイオン電池に対する全固体リチウムイオン電池の利点は何だと思いますか？

Nan Cewen：簡単に言えば、従来のリチウムイオン電池は、正極と負極がダイヤフラムによって分離され、有機電解質に注がれる構造です。電解液は、特に正極と負極によって短絡または過充電された場合に浸透しやすく、温度の急激な上昇、蒸発、電解質の分解を引き起こし、大量のガスを発生させます。バッテリーの安全性の問題、さらにはバッテリーの燃焼爆発につながる。

全固体リチウム電池は、全固体電解質を使用してツーインワン効果を実行し、安全性の問題を解決するために従来の電池のダイアフラムと電解質を置き換えます。同時に、全固体電解質を使用することで、金属リチウムを負極として使用してエネルギー密度を高めることができます。

安全は産業発展の鍵と基盤であり、電池産業の存続にも関係しています。エネルギー密度は、業界の研究開発の中核であり、業界の発展の見通しです。安全性の問題を解決し、既存の材料を使用してエネルギー密度を高めるという観点から、全固体リチウム電池は産業開発のニーズを満たし、精力的に開発されるに値することが期待できます。

レポーター：既存の技術に基づいて、安全性の問題をよりよく解決できますか？

Nan Cewen：バッテリー管理システム（BMS）など、リチウムイオンバッテリーの安全性を向上させるために利用できるさまざまな技術ツールがあります。ただし、BMSは「ガバナンス」の手段であり、「処理」も電池素材そのものから始める必要があります。その中でも、セラミックダイヤフラムの使用は、リチウムイオン電池の安全性を向上させるための良い方向です。ダイアフラムの機械的強度と耐熱性を高めるためにナノセラミック（Al2O3）粒子コーティングの層が適用されるのはダイアフラムの基板上であり、正極と負極の直接短絡の可能性を減らし、それによって改善します。安全性。新世代のセラミックダイアフラム製品は、ナノセラミックファイバーコーティングダイアフラム（江蘇青田エネルギー生産）であり、耐熱性などの特性が優れており、リチウムイオン電池の安全性を向上させる効果があります。第2世代の製品は、アクティブセラミックファイバーでコーティングされたダイアフラムです。安全性の向上に加えて、セラミック電解質繊維の使用は、リチウムイオンの伝導率も向上させ、それによってバッテリーの倍増性能を向上させます。全体的な考え方は、セラミックダイアフラムを介して既存のリチウムイオン電池の安全性を向上させ、徐々に開発してダイアフラムと電解質を全固体電解質に置き換え、安全性の問題を完全に解決することです。

ジャーナリスト：つまり、全固体電解質は、バッテリーの安全性を解決するための「ゴールデンキー」と呼ぶことができます。現在の産業レイアウトと研究開発状況に基づいて、業界はどのような開発戦略を選択する必要がありますか？

Nan Cewen：現在、フランスのBolloré、米国のSakti3、日本のトヨタは、ポリマー、酸化物、硫化物の3つの主要な固体電解質の研究開発の方向性を表しています。実際、いくつかの方法の組み合わせも考え方です。たとえば、無機材料と有機材料を組み合わせる場合、全体的な原則は、複数のソリューション間で試行することです。将来のより可能性の高い開発戦略は、電解質の数をゆっくりと移行し、徐々に、たとえば20％から30％、5％、10％、さらには0に減らし、半固体からすべてに徐々に開発することです。固体。

現在の全固体電池タイプは「加水分解から喉の渇きに近い」状態であり、まだ工業化は不可能ですが、それ以前は、業界は既存の技術を継続的に改善し、既存の電池の安全性とエネルギー密度を徐々に改善してきました。 。たとえば、既存の材料比率を改善し、電解質の性能、バッテリー管理システム（BMS）などを改善します。

研究と工業化：1％から100％

インタビュアー：全固体リチウムイオン電池の工業化に期待することは何ですか？

Nan Cewen：工業化については、国内の定式化は一般的に2020年から2025年までに達成され、一部の専門家は5年以内に工業化に取り組むことを提案しています。その目標は、私たちが協力する場合にのみ可能になります。もちろん、それは工業化基準の程度と規模にも依存します。たとえば、BMWの目標は2028年までに商品化の議題を発表することではないと報告されていますが、BMWは以前に全固体電池に多額の投資を行い、懸命に取り組んできました。

インタビュアー：将来、全固体リチウムイオン電池はどの分野で使用されるのでしょうか？

Nan Cewen：全固体電池は現在、航空宇宙や医療など、絶対的な安全要件を持つ特殊産業で使用されています。将来は、電力およびエネルギー貯蔵の分野で良い見通しがあります。

レポーター：新技術として、全固体リチウムイオン電池は、未成熟な技術や高コストなどの問題を必然的に抱えています。高コストが工業化の最大のボトルネックであるという見方をどのように評価しますか？

Nan Cewen：全体的に低い、その他の問題である全固体リチウムイオン電池の倍増性能は、科学技術の問題であり、ゆっくりと解決する必要があります。コストは最大のボトルネックではありません。実際、新しいテクノロジーや新製品が出始めたばかりであり、コストが高くなっています。生産技術が成熟し、生産量が増えると、当然コストは下がります。したがって、コストは業界が解決する問題であり、学界が解決できる問題ではありません。

同時に、実験室の研究と工業化の目標は同じではありません。 1％の可能性と実現可能性を追求するための研究を行うことで、可能性がある限り、1％でも可能である限り、継続的な試行錯誤の革新を通じて新しい材料を見つけることができます。業界は99％または100％の信頼性と一貫性を追求しています。それは貧弱であってはならず、あらゆる面で考慮されなければなりません。したがって、1％から99％、さらには100％まで変更する必要があります。真ん中には、変革の架け橋とプロセスがあります。完全な制御を達成するために、実験室と中間テストから徐々に完成し、次に拡大して成熟する必要があります。

「天井」のない開発

ジャーナリスト：化学電池の飛躍的進歩は、材料技術の革新にかかっています。この観点から、全固体リチウム電池の開発の方向性をどのように評価しますか？

Nan Cewen：ほとんどの人とは異なり、リチウムイオン電池は通常の電子部品と同じではありません。それらは実際には複雑なシステムです。たとえば、正極と負極はさまざまな材料で合成され、電解質と膜もさまざまな混合物です。

全固体電池はシンプルに見えますが、複雑です。例えば、液体リチウムイオン電池の正極層には、正極性活性物質、導電剤、電解質、結合剤などのさまざまな成分が含まれています。正極層に電解液が浸透しないため、完全に固体の電解液に交換すると、成分の組み合わせが複雑になります。液体リチウムイオン電池を作ることは、地面でセメントと砂を混ぜるようなものです。水を加えると石、砂、セメントを作ることができますが、全固体電池では液体材料は含まれていません。固体と固体材料の界面の問題をどのように解決し、効果的な物質の活性を確保するかは大きな課題です。

ジャーナリスト：リン酸鉄リチウム、三元電池、高ニッケル三元電池から全固体電池まで、どのような進化パターンを考えますか？

Nan Cewen：1つのバッテリーのエネルギー密度は300ワット/ kgに達する必要があり、既存の技術システムで新製品を開発することは難しくありません。 400〜500ワット/ kgを超えると、新しいブレークスルーが必要になります。技術的に言えば、進化のルートは時間に基づいていますが、さまざまなレベルのテクノロジーのバッテリーは致命的な関係ではなく、おそらく共存するパターンです。これは、他のバッテリーを完全に排除するのは新世代のバッテリーの出現ではないことを意味します。それは交代の段階的なプロセスであるかもしれません、そしてそれはまた長い間共存するかもしれません。

鉛蓄電池の場合、エネルギー密度が低く、汚染が大きいものの、これまで鉛蓄電池が完全にリチウムイオン電池に置き換わっておらず、順調に発展しています。その理由は、コストが低く、安全性が高く、リサイクルやリサイクルなどの問題を解決しているため、リチウムイオン電池と共存しています。電池が異なれば特性も異なり、それぞれに適した用途分野が異なります。

ジャーナリスト：エネルギー密度に関する限り、周期表で3番目にランク付けされている元素として、リチウム金属電池は理論的に700ワット/ kgに達する可能性があります。これはバッテリーのエネルギー貯蔵の限界ですか？

Nan Cewen：これは確かに制限ではありません。バッテリーのエネルギー密度は、正と負の両方の材料を考慮する必要があります。新しい正の材料が見つかった場合、容量と電圧が3元または既存の材料よりもはるかに高いと、バッテリーのエネルギー密度が増加します。リチウム電池の限界、つまり天井は、少なくとも当面は技術的には見えません。相対的な限界を決定したい場合は、現在のリチウムイオン電池のエネルギー密度よりも1桁以上高いリチウム空気電池として、限界として想像することができます（理論上のエネルギー密度は約3500ワット/ kg）ですが、700ワット/ kgが制限ではありません。

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