電池からリチウム電池に何が変わったのですか？

バッテリーのパイオニアであるホワイティンガムは、「私たちはほんの少しの毛皮しか知らない」と述べた。世界が化石燃料への依存をなくすためにあらゆる努力をしているので、電池は私たちの日常生活においてますます重要な役割を果たす可能性があり、リチウム電池はさらに悪化します。

バッテリーは将来ガソリンの貯蔵容量と競合することができますか？

3年前、サイエンスジャーナリストのFarhad Manjooがアメリカのオンラインマガジンに「より良いバッテリーは世界を救う」という記事を書いたが、サブタイトルは「あまりにも悪い」という見出しを「反論」した。自動車部門はテスラS、日産リーフ、シボレーボルトを発売したばかりでしたが、ボックスエコノミーカーから2台の高級ハイブリッドポルシェまで、多数の新しいハイブリッドおよび純粋な電気自動車をリリースしました。

マノヨらが予見する問題は多面的です。（1）カーバッテリーは非常に高価です。 （2）「エネルギー密度」（単位重量あたりのエネルギー量）はガソリンよりはるかに悪いようです。 （3）危険がある可能性があります-バッテリーの新たな主要材料であるリチウム自体は不安定であり、空気中で粉末になります。 1つの問題は、湿気が爆発する可能性があることです。もう1つの問題は、材料が「分離」されており、「高温破壊」の可能性があることです。つまり、発火するまで急速に加熱されます。したがって、リチウムを冷たく乾燥させておくことが重要です。

しかし、最後の警告は、リチウムが魅力的な電池材料である理由です。その危険なエネルギーは大きな利点です。したがって、バッテリー技術には、改善され続けているサイレントリチウムの「スプリント」があります。近年、バッテリーの進歩により、化石燃料車は経済の必要性ではなく、「美的」な選択になりました。私たちの都市グリッドは、より複雑で、より予測可能で、信頼性が高く、経済的になります。

バッテリーショック

カーバッテリーは鉛蓄電池からリチウムバッテリー、ニッケルカドミウム懐中電灯からハンドヘルドリチウムイオン設計に移行し、バッテリーの効率が向上しました。リチウムイオン電池がなければ、「携帯電話社会」はほぼ確実に存在しません。しかし、エネルギー消費の命を救うことができる車両や発電所などの大型機器に近づくと、A123システムとそのスポンサー、フィスカーカルマ、モリエナジー、アベスター、エンビアなど、かつて電力を供給していた多くの受賞者がいます。 GMチームは全員、数百万人を失い、スタートゲートからかろうじて逃げました。

バッテリー革命の挑戦を誰かが理解しているなら、1970年代後半にエクソンによるリチウムイオンバッテリーの発明のための戦いを始めたのはこの男です。 「すべての車は10年以内にハイブリッド車または電気自動車になる」と予測したのは、現在ニューヨーク州北部のビンガム大学の化学教授であるM.スタンリーウィッティンガムです。

彼は楽観的である多くの理由があると信じています。たとえば、小規模な新興の小規模なコンピューター会社や大学から、ハーバード大学やスタンフォード大学などの資金の豊富な大学、さらには米国の主要な国立研究所まで、より優れたバッテリーを製造するための技術的課題に多くのリソースが投入されています。アグン、ローレンスリバモア、サンディエゴ、およびドイツ、オランダ、フランス、日本、韓国、中国の主要企業の研究所。

人間が温室効果ガスを排出する必要性を減らすための明確で緊急の必要性もあります。化石燃料のエネルギーを置き換えることで、バッテリーは大きな役割を果たします。消費者は明らかに再生可能エネルギーを必要としています。たとえば、電気自動車やハイブリッド車の販売は力強く成長しています。

より良いバッテリーは2つの大きな賞を提供します。1つは、将来の「モバイル社会」のバックボーンである手頃な価格の電気自動車です。第二に、より柔軟な分散型電力網。高度な定置型バッテリーが低くなるため、価格は私たちの家や工場への電力供給を維持します。

「マイレージ」不安を終わらせる

最初に提案された電気自動車とハイブリッド車は控えめで、1回の充電で40〜100マイルの範囲であり（265マイルの高価格のテスラ電気自動車を除く）、理想的な条件下でのみでした。ただし、第2世代はまもなく200マイルに到達します。韓国の大企業であるLGChemは、シボレーボルトとフォードフォーカスにバッテリーパックを供給しており、更新されたリチウムイオン設計により、2016年にはこれらの車が200マイルに達すると報告されています。テスラエレクトリックの会長兼主要株主であるエロンムスクは、今年8月に新しいバッテリーに取り組んでおり、同社の走行距離を500マイルに引き上げました。

同時に、バッテリーのコストは下がっています。調査会社Navigantによると、ラップトップのバッテリーの価格は5年前はkWhあたり約1,000ドルでしたが、今日の価格はkWhあたり250ドル近くになっています。 2012年7月、マッキンゼー・カンパニーは、自動車用の高度なリチウムイオン電池の価格が2011年の1キロワット時あたり500ドルから1キロワット時あたり160ドルに下がると報告しました。 Favhanによると、バッテリーの量は現在の120億ドルから2020年までに750億ドルに増加するとのことです。

近い将来、バッテリー車はガソリン車とコストをかけて競争するでしょう。ムスクはかつて、バッテリー駆動の「聖杯」は1キロメートルあたり100ドルだと言っていました。彼は、「5年から7年」で実現することを期待しています。テスラは日本のパナソニック株式会社と協力して、ネバダ州スパークスに50億ドルの「バッテリー工場」を建設し、大規模で収益性の高い高度なバッテリーを製造しています。年間50万個のバッテリーパックを生産し、世界のリチウムイオンバッテリーの生産量を2倍にすることが見込まれています。

強力なBYD秦

バッテリーには、3つの基本コンポーネントがあります。2つの電極、アノード（負に帯電）とカソード（正に帯電）、および中間電解質（または一般にバッテリー液として知られています）です。起こるのは、バッテリーループを閉じる（つまり、ライトスイッチをオンにする）化学反応であり、電子はアノードから流れ、電解質を通ってカソードに流れ、電球を通って流れて仕事をします。イオンの流れは反対方向です。最終結果はニュートラル状態になり、バッテリーは廃棄または再充電されます。

現在、ほとんどの自動車用バッテリーは充電式で、電極として何らかの形のリチウム、もう一方の電極としてコバルトまたはカーボン、電解質としてアルミナを使用しています。しかし、研究者たちは、バッテリー技術における「クロールからスプリントへ」の進歩を探求する次の大きなことを熱望しています。いくつかの大きな進歩は成功への希望を示しており、理論上のプラチナ基準によれば、ガソリンよりもさらに多くの燃料を供給するリチウムイオンの約3〜5倍のエネルギー密度があります。

最も大胆なコンセプトはリチウム空気電池です。カソードとしての従来の金属を取り除き、それを炭素に置き換え、バッテリーを完全に再形成し、空気中の酸素原子を抽出して電解質中の酸化物を置き換えます。マサチューセッツ工科大学（MIT）のチームは、ナノワイヤで構成されるカソードを提案しました。これは、実際には遺伝子変異ウイルスから作られた、単一の原子で構築された非常に小さな構造です。これは非常にトリッキーな素材であり、ラボの設計は、一般的なリチウムイオン電池の2倍の性能を発揮し、より速く充電できることが証明されています。

電池の化学的性質が進むにつれて、このような新しい材料が鍵となるでしょう。極薄（原子と同じくらいの厚さ）の単層炭素であるグラフェンは、2003年にマンチェスター大学の2人のロシアの科学者によって最初に製造され（この目的で2010年のノーベル物理学賞を受賞）、電極として開発されました。素材。その強度、柔軟性、導電性は驚くべきものであり、大規模かつ安価に製造でき、1グラムあたり5ドルでオンラインで注文できます。バッテリーでは、充電時間を大幅に短縮し、エネルギー貯蔵容量を増やすことができます。米国ミシガン州に本拠を置くノースウェスタン大学とアルゴンヌ国立研究所のXGScienceとSciNodeシステムの両方が、グラフェン電池に取り組んでいます。 SciNodeによると、そのアノードは従来のカーボンの3倍のストレージ容量を提供します。中国新華社通信によると、同社はグラフェンプロジェクトも実施している可能性があります。

グラフェンは、炭素原子でできた原子比のハニカム格子です。

もう1つの有望なバリエーションは、高価格のコバルトを安価な硫黄に置き換え、非常に高いエネルギー密度を提供するリチウム硫黄設計です。 Berkeley National Laboratoriesの科学者は、リチウムイオン電池のエネルギー密度を2倍にする設計を提案しており、潜在的なコストはkWhあたり100ドルと低くなっています。さらなる研究が必要ですが、この方法は非常に魅力的であり、ガソリンを打ち負かすと言われています。

さらに、リン酸鉄の設計はリチウムをまったく必要としません。中国では、自動車メーカーのBYDがリン酸鉄電池式タクシーのE6を発売し、走行距離は185マイルに達しました。 BYDがFe（鉄元素記号）と呼んでいる電池をベースにしています。 BYD「秦」は、最大出力が223kW、ビットSタイプがやや低いハイブリッド車。同社のテストによると、10,000回の充電と放電のサイクルの後、Feバッテリーはまだその容量の70％を維持しています。それは27年間の毎日の充電です。

深センBYD自動車会社が製造した電気タクシー

それに固執し、「夜明けまで」

同時に、「固定エネルギー貯蔵」の黄金時代に近づいているかもしれません。重量を必要とせずにバッテリーを移動する必要はありません。つまり、開発者は、より重く、独自性が低く、より安価な材料を使用できます。このようなバッテリーは、グリッドの信頼性を高め、ピーク時のエネルギーコストの急上昇を回避し、ピーク時以外の再生可能風力タービンとソーラーパネルエネルギーを収集するためのバックアップ電力を低価格で提供します。

この設計傾向は、車で行われた作業を反映していますが、重要な例外があります。ピッツバーグを拠点とするAquionEnergyは、遠隔地の太陽光、風力、その他の再生可能エネルギー源を含む、マイクログリッドの部分的に完全な電力ソリューションを専門としています。その高度なバッテリーコストは、昔ながらの鉛蓄電池とほぼ同じですが、その持続時間は2倍になっています。

マサチューセッツ工科大学（MIT）で、ドナルドサドウェイと彼のチームは、長持ちする全固体電池を開発しました。彼らによると、スケールアップは簡単です。素材は普通で安価ですが、デザインは完全に革新的です。完全に液体のままで、電子とイオンの交換を促進し、バッテリー自体は高温に保たれ、350°F以上を維持するために厳格な断熱材に依存していますが、それでも生産します75％の効率でエネルギー。 、内燃機関の2倍以上。ケンブリッジに本拠を置くAMBRI（旧Liquid Metal Battery Company）は、数十年続くと言われ、性能の低下がほとんどないバッテリーを製造しています。全放電でも、10,000サイクルの容量は98％になると予想されます。これは大成功です。来年、プロトタイプはフィールドテストのために4つの州に送られます。

現時点では、競争は地元の電力会社と競争することであり、この場所には高度なバッテリーはありません。ピーク需要時に「ピーク」を実行してグリッドに電力を追加するだけの場合、料金は2倍または3倍になる可能性があり（通常は午後）、その場所は直接支払います。

もちろん、まだ長い道のりがあります。バッテリーのパイオニアであるホワイティンガムが言ったように、「私たちはほんの少しの毛皮しか知りません」。世界が化石燃料への依存をなくすためにあらゆる努力をしているので、バッテリーは私たちの日常生活においてますます重要な役割を果たす可能性があり、地球を救うのに役立つかもしれません。

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