リチウム電池が高出力と高エネルギー密度のバランスをとることができないのはなぜですか？

リチウムイオン電池の純粋な電気自動車にとって、充電は依然として大きな問題であるため、「急速充電」は多くのメーカーの仕掛けになっています。個人的には、リチウム電池の急速充電の問題を2つのレベルから分析する必要があると思います。

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。

埋め込まれた反応機構に基づいて、リチウムイオンはカソード材料（一次元イオンチャネルオリビン、二次元チャネル層状材料および三次元チャネルスピネルカソード材料）および負のグラファイトアノード材料（層状構造）に拡散します。係数は一般に水性二次電池における不均一酸化還元反応の速度定数よりも数桁低い。さらに、有機電解質のイオン伝導度は、水性二次電池電解質（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の表面にはSEI膜の層があります。実際、リチウム電池のレート性能は、SEIフィルム内のリチウムイオンの拡散によって大きく制御されます。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あるため、負極の表面は高速または低温条件下でリチウムが堆積しやすく、重大な安全上の問題を引き起こします。また、大電流充電条件下では、正極材料の結晶格子が損傷しやすく、負極グラファイトシートも損傷する可能性があります。これらの要因は容量の減衰を加速し、それによって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本質的な特性により、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、急速充電および高速解放モードでの単一セルのサイクル寿命が大幅に短縮され、後の使用でバッテリ性能が大幅に低下することが確認されました。

もちろん、一部の読者は、チタン酸リチウム（LTO）バッテリーを大量に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速度性能は、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はエネルギー密度が非常に低く、その電力タイプの使用はエネルギー密度を犠牲にすることによって達成され、チタン酸リチウム電池のエネルギーの単位あたりのコスト（$ / Wh）が高くなり、低コストの性能が決定し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可能性は低い。実際、日本での東芝SCiBバッテリーの販売不振は、すでに問題を説明しています。

セルレベルでは、ポールピースプロセスとセル構造設計の観点からレート性能を向上させることができます。例えば、電極を薄くしたり、導電剤の割合を増やしたりするなどの対策が一般的な技術的手段です。さらに、メーカーでさえ、セル内のサーミスタを排除したり、集電体を厚くしたりするなどの極端な方法を採用しています。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でさえLFPパワーバッテリーの高倍率データを作成しています。

ここで指摘したいのは、テスト方法としては理解できるのですが、セル内でどのような変化が起こったのかがカギです。長期の高速充電および放電、おそらく正および負の材料の構造が破壊され、負電極がリチウムで沈殿している、これらの問題は、いくつかのその場（その場）検出手段を使用する必要がある（ SEM、XRD、中性子回折など）が明確です。残念ながら、これらのin-situ検出方法は、国内の電池会社ではほとんど報告されていません。

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、リチウム電池はより高い速度で放電され（外部作業）、電池に生じる損傷は急速充電ほど深刻ではありません。水二次電池も同様です。しかし、実際に電気自動車を使用する場合、大電流放電よりも高速充電（急速充電）の需要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まで上がると、状況はさらに複雑になります。充電プロセス中、異なる単一セルの充電電圧と充電電流は一貫しておらず、必然的に、パワーバッテリーの充電時間は単一バッテリーの充電時間を超えます。つまり、従来の充電技術では1本のバッテリーを30分で半分の容量まで充電できますが、バッテリーパックは間違いなくこの時間を超えます。つまり、急速充電技術の利点はあまり明白ではありません。

また、リチウムイオン電池の使用（放電）中は、容量の消費や放電時間は直線的ではなく、時間とともに加速します。たとえば、電気自動車の全範囲が200 kmの場合、通常100 kmを走行すると、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しか走行できない可能性があります。リチウムイオン電池のこの特性は、電力電池の電力の半分または80％だけが電気自動車の実際の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、テスラはより急速充電技術を推進していますが、これは実際には著者よりも実用的であり、頻繁な急速充電はバッテリーの寿命と性能を確実に低下させ、深刻なセキュリティ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、理論的には、電源切り替えモードで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と、車両全体の構造強度の問題や電気絶縁の技術的な問題、バッテリーの標準とインターフェースのスーパーの問題が発生しますが、著者はこれを個人的に信じていますモードは、リチウム電池の急速充電の問題に対する解決策です。技術的な（そして技術的にのみ）アプローチがより実現可能です。

私の意見では、「バッテリーレンタル+電力交換モード」は、消費習慣の問題（所有者はバッテリーは車の私有財産と同じであると考えている）を除いて、世界で成功した前例ではありませんでした。主な障害は、隠されたテクノロジーにあります。標準の背後にある大きな利益分配の問題。市場の多い欧米諸国では、この問題を解決することは中国よりもはるかに困難です。著者は、将来、中国のバス、タクシー、カーシェアリングなどの純粋な電気自動車の集中利用の分野では、開発の余地が大きくなる可能性があると個人的に考えています。

2.3.2燃料電池の高出力特性：リチウムイオン電池の急速充電の問題と比較して、燃料電池に水素が充填される問題ははるかに簡単です。これで、ほぼすべてのFC-EVに3分で水素を充填できます。 3分は通常の給油時間よりも長いですが、テスラの6時間の一般充電/ 30分の高速充電と比較して3分間言及する価値はないことは明らかです。しかし、リチウム電池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、著者にとって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は簡単で、燃料電池の水素化の問題があるため、インフラストラクチャの構築は充電ステーションの構築よりもはるかに困難です。

レート性能に関しては、レートは実際には電力の問題であるため、ここでリチウム電池と燃料電池の電力密度について説明します。技術的には、リチウム電池は、いくつかのプロセス手段（電極を薄くする、導電剤の含有量を増やすなど）を使用して、大量の充電と放電を実現できますが、これらの技術的手段は、電池のエネルギー密度を犠牲にする必要があります。

つまり、基本的に、リチウム電池セルが高エネルギー密度と高電力密度の両方を持つことは不可能です。たとえば、A123のAHR32113セルコアレートのパフォーマンスは非常に優れており、40Cの超高速テスト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。たとえば、i-Phone7のソフトパッケージセルのエネルギー密度は250Wh / Kgに達しましたが、そのレート性能は比較的低く、0.5C未満の低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、独自の開放動作原理によって決定される高エネルギーと高電力の特性を簡単に組み合わせることができるということです。 PEMFCスタックは、電気化学が発生する場所です。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であろうと酸素の電気化学的還元であろうと、Pt / C触媒の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の現在のPEMFCスタックは、実際の動作条件（シングルセル0.6-0.7V）で、電流密度は一般に1A / cm2のレベルに近く、これは広く使用されているLFPパワーバッテリーよりも1Cの比率です。中国で。電流密度は約2桁高くなっています。

トヨタミライのPEMFCシステムのエネルギー密度は350Wh / Kgを超え、電力密度は2.0kW / Kgです。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であり、Miraiよりも1桁低くなっています。 PEMFCスタックは、フィルタープレスに従って単一のセルで組み立てられ、セルの数を増やすことでその出力を増やすことができます（非線形関係）。 PEMFCのエネルギー密度は、水素貯蔵システムの水素貯蔵容量に依存し、水素貯蔵タンクの容量または量を増やすことによっても改善できます。

つまり、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、この機能はど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です。同時に、高エネルギーと高電力の特性は、まさに現代の自動車の電力システムの最も基本的な技術要件です。

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