Nan Cewen：リチウム電池にはまだ開発の余地がたくさんあります

2017年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を促進する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、容量、安全性、材料、設備に関する明確な要件を定めています。 1,000億ワットの飛躍的な進歩に直面して、業界は無限の流れの中で出現する新しいテクノロジーにどのように立ち向かうことができるでしょうか。この記事は最近、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・セウェンにインタビューしました。全固体リチウム電池は安全性と性能を大幅に向上させますが、工業化する前に、既存の技術を継続的にアップグレードする必要があります。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」

エネルギーレビュー：2017年、電気自動車の規模が急速に拡大する中、安全性の問題が前例のない注目を集めました。従来のリチウム電池と比較して、全固体リチウム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、正極と負極がダイア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、特に正極と負極の短絡や過充電により温度が急激に上昇し、電解液が蒸発して分解し、大量のガスが発生し、浸透しやすくなります。バッテリーの安全上の問題を引き起こし、バッテリーの燃焼や爆発を引き起こします。

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機能を実現し、従来の電池のダイヤフラムと電解質を置き換えて安全性の問題を解決します。同時に、全固体電解質を使用した後、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。

セキュリティの問題は、業界の発展の鍵と基盤であり、バッテリー業界の存続の基本でもあります。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向上させるという観点から、全固体リチウム電池は、産業開発のニーズを満たすことが期待でき、活発な開発に値します。

エネルギーレビュー：既存のテクノロジーに基づいて、セキュリティの問題をより適切に解決できますか？

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手法があります。ただし、BMSは「症状を治療する」手段であり、「ガバナンスのルール」は電池素材自体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。セパレーターの基板上にナノセラミック（Al2O3）粒子の層がコーティングされているため、セパレーターの機械的強度と熱収縮が増加し、正極と負極の間の直接短絡の可能性が減少します。安全性の向上。新世代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（江蘇青太夫エナジー製）で、耐熱性に優れ、リチウムイオン電池の安全性向上に効果的です。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。セラミック電解質繊維の使用は、安全性の向上に加えて、リチウムイオン伝導率も向上させ、それによってバッテリーレート性能を向上させます。一般的な考え方は、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、安全性の問題を完全に解決するために、ダイアフラムと電解質を全固体電解質に置き換えるように徐々に開発することです。

「エネルギーレビュー」：このように、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に基づいて、業界はどのような開発戦略を選択すべきだと思いますか？

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つの固体電解質の典型的な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アイデアです。たとえば、無機材料と有機材料を組み合わせる場合、一般的な原則は、複数のスキームの途中で試すことです。将来のより可能性の高い開発戦略は、電解質の量をゆっくりと移行し、徐々に、たとえば、半固体から全固体に、20％から30％、5％、10％、さらには0に減らすことです。

現在の全固体電池の種類は「喉が渇くのはそう遠くない」ですが、まだ工業化されていません。しかし、これに先立ち、業界は既存の技術を継続的に改善し、改善など、既存のバッテリーの安全性とエネルギー密度を徐々に改善してきました。既存の材料比率、改善された電解質性能、バッテリー管理システム（BMS）など。

科学研究と工業化：1％から100％

エネルギーレビュー：全固体リチウムイオン電池の工業化アジェンダ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。この目標は、それを可能にするために全員が協力することを要求します。もちろん、それは工業化基準にも依存し、どの程度、そして大規模にも依存します。例えば、ドイツのBMW社の目標は、2028年までに日本のトヨタが商品化スケジュールを発表しないことであると報告されていますが、それは以前に全固体電池の分野に多額の投資を行い、精力的に取り組んできました。頑張る。

エネルギーレビュー：将来、全固体リチウムイオン電池はどの分野で使用されますか？

Nan Cewen：すべての全固体電池は現在、航空宇宙や医療など、安全性が絶対的に必要ないくつかの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。

「エネルギーレビュー」：新技術として、全固体リチウム電池は必然的に技術不足や高コストなどの問題を抱えることになります。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：全固体リチウム電池の全体的な低速性能は科学的および技術的な問題であり、ゆっくりと解決する必要があります。コストの問題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は最初はコストがかかります。生産技術が成熟し、生産量が増えると、当然コストは下がる可能性があります。したがって、コストは産業界によって解決され、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によって追求される目標は異なります。 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、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。セクシュアリティ、まったく悪くはなく、すべての側面を慎重に検討する必要があるため、1％を99％、さらには100％に変更するには、まだ橋と変革のプロセスが必要であり、実験室から徐々に改善する必要がありますとパイロット。次に、ズームインして成熟させ、完全な制御性を実現します。

「天井」のない開発

エネルギーレビュー：材料技術の革新に依存する、化学電池の飛躍的進歩。この観点から、全固体リチウム電池の研究開発の方向性をどのように評価しますか？

Nan Cewen：普通の人とは異なり、リチウムイオン電池は普通の電子部品と同じではありません。それらは実際には非常に複雑なシステムです。例えば、正極と負極は様々な材料の複合材料であり、電解質とセパレータも様々な種類の混合物であり得る。

全固体電池は単純に見えますが、非常に複雑でもあります。例えば、液体リチウムイオン電池の正極層は、正極活物質、導電剤、電解質溶液、バインダーなどの複数の成分を含み、これらをすべてに置き換えると、固体電解質、正極層に電解質の浸透がないため、さまざまなコンポーネント組み合わせのマッチングの問題は複雑になる可能性があります。液体リチウムイオン電池を使用することは、砂とセメントを混ぜるようなものです。水を加えると石、砂、セメントを調和させることができますが、全固体電池には液体物質が含まれていません。固体材料と固体材料の界面の問題を解決し、効果的な物質を確保する方法活動、課題は大きいです。

「エネルギーレビュー」：リン酸鉄リチウム、三元電池、高ニッケル電池、全固体電池からの技術的なルートはどのような進化パターンになると思いますか？

Nan Cewen：単一バッテリーのエネルギー密度は300ワット時/ kgに達するはずであり、400〜500ワット時/ kgを超えると、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。技術的には、新しいブレークスルーが必要です。 、進化のルートは時間に応じて実行されますが、異なるスキルレベルのバッテリーは、あなたと生活の関係ではなく、共存と共生のパターンである可能性があります。これは、新世代のバッテリーの後、他のバッテリーが完全に排除されることを意味します。これは段階的なプロセスであり、長期間共存する可能性もあります。鉛蓄電池を例にとると、エネルギー密度が低く、汚染が大きいものの、これまでのところ、鉛蓄電池がリチウムイオン電池に完全に置き換わっておらず、非常に発展しています。その理由は、コストが低く、安全性に問題がなく、リサイクルとリサイクルの問題がよりよく解決され、リチウムイオン電池と共存しているためです。電池が異なれば特性も異なり、それぞれに適した応用分野が異なります。エネルギーレビュー：周期表で3番目にランク付けされた要素としてエネルギー密度に関する限り、リチウム金属電池は理論的に700ワット時/ kgに達することができますか？それは電池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には、正と負の材料を包括的に考慮する必要があります。新しい正極材料が見つかった場合、比容量と電圧は3成分または既存の材料よりもはるかに高くなり、バッテリーのエネルギー密度も増加します。リチウム電池の限界、つまり天井は、少なくとも現時点では技術的には見えません。相対的な限界を決定する必要がある場合、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イオン電池として、限界として想像できるかもしれません（理論上のエネルギー密度は約3500ワットです-時間/ kg）、ただし700ワット時/ kgに制限はありません。

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