リチウム電池が高出力と高エネルギー密度を持てないのはなぜですか

リチウムイオン電池を搭載した純粋な電気自動車にとって、充電の難しさは依然として大きな問題であるため、「急速充電」は多くのメーカーにとってギミックになっています。著者の意見では、リチウム電池の急速充電の問題は、2つのレベルから分析する必要があります。

セルレベルでは、リチウムイオン電池のマルチプライヤ性能は、一方ではアノード/電解質/負極材料コロケーションシステムの固有の伝送特性によって制限され、他方では、チップ技術とセル構造設計にも乗算器の性能に大きな影響を与えます。ただし、キャリアの伝導と輸送操作の観点から、リチウムは「急速充電」には適していません。リチウムシステムの固有のキャリア伝導および輸送は、アノードおよびカソード材料の導電率、リチウムイオン拡散係数、および有機電解質の導電率に依存します。

アノード材料（オリビンの一次元イオンチャネル、二次元チャネル層状材料および三次元スピネルカソード材料）および拡散係数の負のグラファイトアノード材料（層）におけるリチウムイオンの埋め込まれた反応機構に基づくと、一般に水系である二次電池のアウトフェーズREDOX反応速度定数が数桁低い。さらに、有機電解質のイオン伝導度は、水システムの二次電池電解質（強酸または強塩基）のイオン伝導度よりも2桁低くなっています。

リチウム電池の負極は、表面にSEI膜があります。有機電解質中の粉末電極の分極は、水系の分極よりもはるかに深刻です。また、高倍率帯電の条件下では、正極材料の格子が損傷しやすく、負極グラファイトシート層も損傷する可能性があります。これらすべての要因が容量の減衰を加速し、パワーバッテリーの耐用年数に深刻な影響を及ぼします。

したがって、埋め込まれた反応の固有の特性により、リチウムイオン電池は高速充電には適していないことがわかります。研究の結果、急速充電と急速解放のモードでは単一バッテリーのサイクル寿命が大幅に短縮され、バッテリーの性能は後の使用期間で大幅に低下することが確認されています。

もちろん、ある読者は、チタン酸リチウム（LTO）バッテリーを高速で充電および放電することはできないと言うかもしれません。チタン酸リチウムの多様性は、その結晶構造とイオン拡散係数によって説明できます。しかし、チタン酸リチウム電池のエネルギー密度は非常に低く、その電力タイプの使用はエネルギー密度を犠牲にして達成され、チタン酸リチウム電池の高い単位エネルギーコスト（$ / Wh）と低コストの性能につながりますチタン酸リチウム電池がリチウム電池開発の主流になることはできないと判断しました。確かに、過去数年間の東芝のSCiBバッテリーの販売不振が物語っています。

セルレベルでは、チップ技術やセル構造設計の観点から、電極を薄くしたり、導電剤の比率を上げたりするなど、多要素性能を向上させることができます。さらに、一部のメーカーは、セルからサーミスタを取り外したり、コレクター液を濃くしたりするなどの極端な手段に頼っています。実際、多くの国内のパワーバッテリー会社は、技術的なハイライトとして、30Cまたは50CのハイパワーデータのLFPパワーバッテリーを持っています。

ここで指摘したいのは、テストとしてはそうですが、セル内で何が起こるかが鍵です。長い時間と高い充放電率により、正と負の材料の構造が破壊された可能性があり、リチウムはすでに負電極から分離されています。これらの問題は、いくつかのin-situ検出方法（SEM、XRD、中性子回折など）で特定する必要があります。残念ながら、国内の電池企業におけるこれらの現場検出方法の適用に関する報告はほとんどありません。

ここで著者はまた、リチウム電池の充電と放電のプロセスの違いに注意を払うように読者に思い出させます。充電プロセスとは異なり、高電力でのリチウム電池の放電（外部作業）による損傷は、水道システムの他の二次電池と同様に、急速充電による損傷ほど深刻ではありません。しかし、電気自動車の実用化には、大電流放電よりも高速充電（急速充電）の必要性が急務であることは間違いありません。

バッテリーパックのレベルになると、状況はより複雑になります。充電プロセスでは、異なる単電池の充電電圧と電流が一定していないため、必然的に、単電池の充電時間を超える電力電池の充電時間が発生します。つまり、急速充電の利点がそれほど明白ではないこともあり、バッテリーパックは従来の充電で30分で単一バッテリーの半分の容量を確実に超えます。

また、リチウムイオン電池の使用（放電）過程では、容量消費量と放電時間は直線的な関係ではなく、加速する時間とともに減少します。たとえば、電気自動車の全範囲が200 kmの場合、通常の100 kmの範囲の後でも、パワーバッテリーの容量は80％になる可能性があります。バッテリー容量が50％の場合、電気自動車は50kmしか走行できない場合があります。リチウムイオン電池のこの特徴は、パワーバッテリーの電力の半分または80％しか充電しないと、電気自動車の実際の使用ニーズを満たすことができないことを示しています。たとえば、テスラの広く公表されている急速充電技術は、実際には実際よりもギミックであり、頻繁な急速充電はバッテリーの耐用年数と性能を確実に悪化させ、深刻な安全上のリスクをもたらします。

リチウム電池は本質的に急速充電には適していないため、理論的に言えば、電気的変化のモードは急速充電の欠点を補うことができます。パワーバッテリーをプラガブルタイプに設計することで、車両構造の強度や電気絶縁の技術的困難な問題だけでなく、バッテリーインターフェース規格や超困難な問題も発生しますが、個人的にはこのモデルはまだリチウムイオンの技術と見なすことができると思いますバッテリーの急速充電の問題（技術的にもより実用的な方法のみ）。

著者の意見では、「バッテリーレンタル＋電力交換モデル」が世界で成功した前例がない理由は、消費習慣の問題（所有者はバッテリーは車と同じように彼の私有財産であると考えている）以外に、メイン障害は、技術基準の背後に隠された巨大な利益分配の問題にあります。市場志向の高い西部では、問題の解決は中国よりもはるかに困難です。個人的には、バス、タクシー、共有車などの純粋な電気自動車が集中している地域では、将来的には電気の電気転換モデルを開発する余地が大きくなる可能性があると著者は考えています。

2.3.2燃料電池の高出力特性：リチウムイオンパワーセルの急速充電の問題と比較して、燃料電池に水素を充填する問題ははるかに簡単です。今日のほとんどすべてのfc-evは、3分で水素で満たすことができます。 3分は通常の給油セッションよりも少し長いですが、テスラの6時間の純充電/ 30分の高速充電と比較して何もありません。ただし、リチウムの急速充電の問題を燃料電池の水素化と比較することは適切ではありません。電気自動車の充電と電力網の組み合わせ、および燃料電池の水素化は簡単であるため、インフラストラクチャは充電ステーションよりも構築がはるかに困難です。

電力性能に関しては、電力は実際には電力の問題であるため、著者はリチウム電池と燃料電池の電力密度について再度説明します。技術的には、リチウムイオン電池は、電極を非常に薄くするか、電池内の導電性材料の量を増やすことを含むプロセスを使用して、より高速で充電および放電することができます。

言い換えれば、単一のリチウムセルが高いエネルギー密度と高い電力密度の両方を持つことは基本的に不可能です。たとえば、A123のAHR32113シングルセルは優れた倍率性能を備えており、40℃の超高倍率試験条件下で電力密度は2.7kw / Kgに達する可能性がありますが、エネルギー密度はわずか70Wh / Kgです。別の例として、i-phone7ソフトパックセルのエネルギー密度は250Wh / Kgのレベルに達しましたが、その電力性能は比較的低く、0.5c未満の低電力レートでしか充電および放電できません。

しかし、ここで強調したいのは、燃料電池は簡単に高エネルギーと高出力の両方になり得るということです。これは、まさにその独自のオープンな動作原理によるものです。 PEMFCリアクターは電気化学生成のサイトです。その独自の不均一電極触媒反応プロセスにより、水素の電気化学的酸化や酸素の電気化学的還元に関係なく、Pt / C触媒表面で高い交換電流密度が可能になります。

実際、トヨタとGMの新世代PEMFC原子炉の電流密度は、実際の作業条件下では一般に1A / cm2のレベル（単一バッテリーで0.6〜0.7v）に近く、電流よりも約2桁高くなっています。中国で広く使用されているLFPパワーバッテリーの密度は1Cです。

ToyotaMiraiのPEMFCシステムは、350Wh / Kgを超えるエネルギー密度と2.0KW / Kgの電力密度を備えています。対照的に、TeslaModelSのリチウムイオン電池システムのエネルギー密度は156Wh / Kgですが、電力密度はわずか0.16kw / Kgで、Miraiよりも1桁低くなっています。 PEMFCスタックはシングルセルフィルタープレスとして組み立てられており、シングルセルの数を増やすことでその出力を上げることができます（非線形性）。 PEMFCのエネルギー密度は、水素貯蔵システムに貯蔵されている水素の量に依存します。これは、水素貯蔵タンクの容量または数を増やすことによっても増やすことができます。

言い換えれば、PEMFCシステムは、高エネルギー密度と高電力密度の両方を持つことができます。これは、どの種類の二次電池でも不可能です。基本的な理由は、クローズドシステムとオープンワーキングモードの本質的な違いにあります。しかし、同時に高エネルギーと高電力条件の特性を備えており、まさに現代の自動車から電力システムへの最も基本的な技術的要求です。

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