すべての固体リチウム電池

現在、中国の新エネルギー自動車メーカーが選択している電池システムは、主に三元材料/グラファイトシステム、リン酸鉄リチウム/グラファイトシステム、三元電池/チタン酸リチウムシステムです。三元電池を選択する代表的な自動車企業は、吉利、昌安、北汽、サイク、ジャクなどです。リン酸鉄リチウム電池を選択する代表的な自動車企業はbydであり、三元/チタン酸リチウム電池の代表的な自動車企業は朱海陰龍です。 。

2017年3月、工業情報化部と他の4省庁が共同で、自動車用パワーバッテリーの開発を促進するための行動計画を公布し、2020年までに新しいリチウムイオンパワーシェンチモノマーの比エネルギーが300Wh / Kgを超える。システムの比エネルギーは260Wh / Kgに到達することを目指しています。

3種類の電池の原料から判断すると、300Wh / Kgを超えるモノマー比エネルギーはリン酸鉄リチウム電池とチタン酸リチウム電池では達成できません。現在、このような要件を満たすことができるのは3成分材料のみです。上記は、3つのリチウム電池材料システムの比較です。三元電池は他の電池よりもエネルギー密度が高いですが、液体電解質を使用しているため、安全上の大きなリスクがあります。固体電解質がリチウム電池の安全性の問題を解決できるという業界のコンセンサスがあります。

固体電池は新しい概念ではなく、アップルは2012年に特許を取得しました。固体電池は、固体電極と固体電解質を備えた電池です。全固体電池のアノード材料は液体電解質バッテリーのアノード材料とあまり変わらず、アノード材料は主にリチウム金属、リチウム合金、またはグラフェンです。これらすべての要素が組み合わさって、固体リチウムイオン電池が作られます。現在、固体リチウム電池は、無機固体電解質電池とポリマー固体リチウム電池に分けることができます。固体リチウム電池の開発は、主に固体電解質材料の開発に依存しています。

固体電解質材料

全固体電池の場合、適切な全固体電解質材料の選択が電池設計の中心的な内容です。一般的に、電解質の性能要件は次のとおりです。

（1）高い室温伝導率;

（2）電子は通過できませんが、リチウムイオンは通過できます。

（3）電位窓の幅。

（4）電極材料との良好な適合性。

（5）優れた熱安定性、耐湿性、優れた機械的特性。

（6）原材料の入手が容易で、低コストで、簡単な合成方法。

高分子電解質

有機ポリマーベースのリチウムイオン伝導体では、リチウムイオンはリチウム塩の形でポリマーマトリックスに「溶解」します。導電率は電解質の品質を特徴付ける重要なパラメータであり、伝送速度は主に基板との相互作用とチェーンセグメントの活動によって影響を受けます。鎖セグメントの活性を改善することは、リチウムイオン伝導性を改善するのに役立つ。

現在、最も研究されている高分子固体電解質は、PEO（ポリエチレンオキシド）とその誘導体である複合リチウム塩高分子電解質です。 PEOポリマーは、高温でも優れたイオン伝導性と優れた加工特性を備えています。ただし、PEOポリマー電解質には、室温でのイオン伝導度が低い、リチウム金属アノードとの適合性が低いなどの問題もあります。

2.無機固体電解質

無機固体電解質材料の中で、初期に開発されたハロゲン化物電解質は導電率が低い。これらの初期に開発された材料は、不安定な化学的性質と困難な調製の問題をまだ抱えています。

硫化物電解質と酸化物電解質の両方に、3つの異なる結晶状態のガラス、セラミック、およびガラスセラミック（ガラスセラミック）材料が含まれています。一般に、硫化物の導電率は、Li +の移動を助長するOと比較してLiに対するSの結合効果が弱いため、同じタイプの酸化物の導電率よりも大幅に高いことがよくあります。

酸化物電解質は、空気や熱に対する安定性が高く、原材料のコストが低く、大規模な準備が容易です。酸化物電解質では、アモルファス（ガラス）酸化物電解質は室温伝導率が低く、空気中の水蒸気に敏感であるため、実際の電池では使用が難しい高温急冷が必要になることがよくあります。

酸化物では、リチウムイオンははるかに大きなO2-で構成される骨格構造のギャップで伝導を行い、li-o相互作用を弱め、リチウムイオンの3次元透過を実現し、透過における空孔濃度に対するリチウムイオンの比率を最適化します。チャネルは、リチウムイオンの伝導性を改善するのに役立ちます。これらの考えに基づいて、複雑な構造を持ついくつかの酸化リチウム導体材料が次々と出現し、その代表的なものには、ガーネット型構造システム、ペロブスカイト構造システム、およびナトリウム高速イオン導体構造システムが含まれる。ただし、これらの材料のうち、材料システムのガーネット構造のみがリチウム金属に対して安定しています。他の2つの構造で導電率の高い材料には、リチウム金属で還元できるTi、Geなどの元素が含まれています。また、ガーネット構造系材料は、空気安定性に優れ、原料費が低く、焼結体の機械的強度が高いため、全固体リチウム電池の理想的な固体電解質として広く利用される可能性があります。

Ii。解決すべき問題

固体電解質をリチウム電池に導入する目的は、有機電解質の現在の制限を打ち破り、電池のエネルギー密度、電力密度、動作温度範囲、および安全性を向上させることです。しかし、これらの目標を真に達成するためには、既存の電解質材料自体と電極との界面に存在するいくつかの問題を最初に解決する必要があります。

例えば、エネルギー密度の改善には、低電位で大容量のアノード材料、ならびに高電位で大容量のアノード材料の使用が必要です。この場合、ポリマーと硫化物が制限された電位窓は、高電圧の場合に直接適用するのが難しいことがよくあります。電力密度を改善するには電解質の導電率を改善する必要がありますが、これは依然として大きな問題です。

第三に、まとめ

全固体リチウム電池は非常に高い安全性を備えており、その固体電解質は不燃性、非腐食性、非揮発性、非液体漏れです。同時に、リチウムデンドライトの現象を克服し、全固体リチウム電池を搭載した自動車の自然発火の可能性を大幅に低減します。全固体リチウム電池の現在のエネルギー密度は約400Wh / Kgであり、推定最大電位は900Wh / Kgです。しかし、固体電解質とアノードおよびカソード材料から始める必要がある全固体電池のエネルギー密度と電力密度を改善するには、まだ解決すべき問題がいくつかあります。これらの問題を効果的に解決できれば、将来的には新しいバッテリー革命が確実に始まります。

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