最新のバッテリー技術の紹介

電気自動車の開発が本格化しており、動力用バッテリーは最も重要な部品の 1 つです。その開発は、電気自動車のバッテリー寿命と安全性に決定的な影響を与えます。最近では、全固体電池、SVOLT のゼリー電池、NIO のニッケル 55 三元セル、リチウムを補うためにシリコンをドープした IM モーター、CTP/CTC 技術などの用語をよく耳にします。実際、非常に多くの技術的方向性があるため、基本的な目的はバッテリーのエネルギー密度と安全性を向上させることです。この記事では、エディターがそれに関連する技術的なパスを整理します。

エネルギー密度と安全性を向上させる方法

エンジニアは、バッテリー セルの密度を高めることと、システム (バッテリー パック) の密度を高めることの 2 つの同様の方法を使用して、バッテリー パックのエネルギー密度を高めるために頭を悩ませました。もちろん、エネルギー密度を向上させる一方で、安全性は常に最優先事項です。バッテリーのエネルギー密度と安全性を向上させるために、大多数のエンジニアはどのような努力をしてきましたか?また、現在どのような新技術が登場していますか? それでは、最新のニュースについて説明します。

バッテリーのエネルギー密度を高める

電池のコアは、正極、負極、および正極と負極の間の電解質の 3 つの部分で構成されています。エネルギー密度を高めるには、まずこれら 3 つの側面から始めます。それらを1つずつ見てみましょう。

カソード - ニッケル 55 単結晶材料

NIO が最近リリースした 100kWh のバッテリー パックは、CATL が以前に発表した「発煙のみで発火しない」バッテリーであり、バッテリー パック シェルのサイズを変更せず、重量もほとんど増加させずに、エネルギー密度を 37% 増加させました。マイレージを充電します。新しいバッテリーに使用されているニッケル 55 三元セルは、エネルギー密度を高める上で重要な要素です。そのカソード材料は高電圧単結晶材料です。単結晶とは？この質問に答える前に、カソード材料の技術的な方向性を見てみましょう。

いわゆる「三元」リチウム電池は、正極材料のニッケル、コバルト、マンガン (NCM) の 3 つの要素を指します。ニッケルは容量を増やすために使用され、コバルトは構造を安定させるために使用されます。マンガンの役割は、コストを削減し、材料の構造安定性を向上させることです。ニッケルの比率が高く、コバルトとマンガンの比率が低いほど、エネルギー密度は高くなりますが、安全性は低下します。

エネルギー密度を高めるため、NCM比を「111（N:C:M=1:1:1）」から「523」、さらに「811」へと高めました。このルートは、常に三元系カソード材料の開発の主流でした。もう一方の方向は単結晶ルートに対応します（ここがポイントです）。新しくリリースされたバッテリーのカソードは、単結晶 5 シリーズの材料を使用しています。単結晶材料は高電圧に適しています。現在、商品化されている三元系正極材料の多くは、ナノレベルの一次粒子が凝集した10ミクロン程度の二次球状多結晶体です。多結晶、単結晶の概念がない方は、珪砂・ガラスを参考にしてください。どちらもシリカです。珪砂は多結晶体で、

多結晶 NCM には多数の粒界があります。バッテリーの充電および放電プロセス中に、異方性結晶格子変化により、多結晶NCMは粒界亀裂を起こしやすく、二次粒子が壊れ、比表面積と界面対が急速に増加し、バッテリーのインピーダンスが上昇し、パフォーマンスが急速に低下します。単結晶三元材料の内部には粒界がなく、粒界破壊の問題とそれによる性能低下に効果的に対処できます。したがって、単結晶構造はより高い電圧を達成できるだけでなく、三元材料のサイクル安定性を向上させ、バッテリーの安全性を大幅に向上させます。これが陰極材料で、

「シリコンドープリチウム電池セル」技術とは？

従来のリチウムイオン電池のグラファイト負極の密度は低いです。高密度を追求するために、新しい負極材料であるシリコン カーボンとシリコン酸素は、企業が追求する新しいホット スポットになっています。ただし、シリコン-酸素には初めて効率が低く、リチウムを補充する必要があるという問題があります。液体リチウムイオン電池の最初の充電および放電中に、電極材料と電解質が固液界面で反応して、電極材料の表面を覆うパッシベーション層が形成されます。このパッシベーション層は、固体電解質の特性を持つ界面層です。これは電子絶縁体ですが、Li+ の優れた伝導体です。Li+ はパッシベーション層を介して自由に埋め込みおよび抽出できます。したがって、このパッシベーション膜は「「固体電解質界面」（固体電解質界面）を略してSEI皮膜（正極にも皮膜形成層がありますが、現段階では電池への影響は表面のSEI皮膜よりもはるかに少ないと考えられています）負極）。シリコンカーボン負極リチウム補充プロセスは、シリコンカーボン負極の表面にリチウム金属の層をプレコートすることです。コーティングは負極と密着しています。電解液を負極に注入すると、電解液は負極と反応し、負極粒子に埋め込まれます。最初の充電と放電またはサイクル中に SEI 膜を形成または修復するために必要な Li イオンを補います。困難で高投入量の負極リチウム補充プロセスと比較して、正極リチウム補充プロセスははるかに簡単です。典型的な正極リチウム補充プロセスは、少量の高容量正極材料を正極均質化プロセスに追加することです。充電プロセス中、過剰な Li 要素は、これらのリチウム リッチな正極材料から抽出され、最初の充放電の不可逆容量を補うために負極に挿入されます。リチウムを補充するこの複雑なプロセスを通じて、負極材料の密度を高めることができる。現時点では、IM Motors がどのような技術なのかは不明ですが、基本的に IM Motors がこのハイエンド リチウム バッテリーを使用することは当然の結論です。

電解質—全固体電池

現地時間の 12 月 8 日、Quantum Scape は最新の全固体電池のニュースを発表し、この電池は 2024 年に生産される予定であると述べました。この種の全固体電池は、従来のリチウムイオン電池よりも大幅に改善されています。電気自動車の航続距離を 80% 伸ばすことができます。全固体電池とは何か、その利点は何かについて説明しましょう。

バッテリーのエネルギー密度を高める一方で、バッテリーの安全性は考慮しなければならない問題です。リチウム イオン電池の安全上の問題を根本的に排除するには、電池材料の安全性を改善する必要があります。しかし、カソード材料の場合、これら 2 つの側面は矛盾しています。たとえば、前述のように、ニッケル含有量を増やすとエネルギー密度を高めることができますが、ニッケル含有量の増加は安全性の低下を意味します。エネルギー密度をより確実に高めるために、他の面から電池の安全性を高める方法はありますか? このとき、電解質の観点から考える必要があります。多くの研究により、液体電解質がバッテリーの熱暴走プロセスのほとんどの反応に関与していることが示されています。電池の初期反応温度が大幅に低下します。つまり、熱暴走のしきい値が低くなります。したがって、電解液の安全性を向上させることは、バッテリーの安全性を達成するための最も効果的な方法の 1 つです。液体電解質の物理的特性により、漏れを常に回避できるとは限らず、バッテリーの体積を減らしてエネルギー密度を高めるのにも役立ちません。そのため、エネルギー密度と安全性を向上させるために、電解質の固体化がトレンドになっています。電極も電解液も全固体電池のことを私たちは電池と呼んでいます。全固体電池セルには液体が含まれていないため、安全であるだけでなく、最初に直列および並列に組み立てることができ、パッケージシェルに使用される材料を削減できます。

従来のリチウム電池と同様に、全固体電池は正極、負極、および電解質で構成されています。その構造は従来のリチウム電池よりもシンプルで、固体電解質は電解質とセパレータの 2 つの機能を果たします。正極材料と従来のリチウム電池の間に本質的な違いはありません。アノード材料は、リチウム金属アノード材料、炭素族アノード材料および酸化物アノード材料である。全固体電池では、固体電解質の研究開発が最も重要です。材料には、酸化物、硫化物、ポリマー、複合固体電解質など、さまざまな種類があります。

研究中の大型液体リチウム電池や全固体電池に加え、半固体電池であるゼリー電池が人々の視野に入ってきました。2020年12月 ハニーコ エムビー・エナジーが率先してゼリー電池を発売し、受注した。ゼリー電池は、新しいタイプのゼリー状の電解質を使用したリチウム電池です。このゲルタイプの電解質は、電極材料の表面によりよくフィットします。自己修復性と難燃性の特徴があります。同時に、熱の拡散を防ぎます。ゼリー電池は、液体電池から全固体電池への移行と言えます。

システム密度の向上 - 新しいバッテリーパック技術

バッテリーセルのエネルギー密度を高めることに加えて、同じサイズと重量のバッテリーパックにより多くのバッテリーを搭載することで、バッテリーのエネルギー密度を高める方法でもあります。ここでは、現在の比較的新しいバッテリー パック技術について簡単に紹介します。

内部パッケージを取り外します - Cell to Pack (CTP) テクノロジー:

一般的に電池は、最外郭に電池パックが存在するだけでなく、内部にセルの集合体である「モジュール」の集合体があります。いわゆる CTP は非モジュール化であり、セルは直接パッケージ化されます。現在、エネルギー密度を高めることは、企業にとって主要な選択肢です。CATL、BYD、およびハニカム エナジーはすべて、モジュールレス バッテリー パック技術を発表しました。少し前に比較的人気があったBYDブレードバッテリーは、リチウムリン酸鉄バッテリーに基づいており、スペース利用を改善するためにモジュールフリー設計を採用しています。

すべての内部パッケージングとアウトソーシングは削除されています-Cell to Chassis (CTC) テクノロジー:

テスラのバッテリー デーでは、バッテリーが自動車の構造に直接組み込まれている構造的なバッテリー ソリューションが提案されました (Long Ge の以前の記事「テスラ バッテリー デー情報の解釈」を参照)。この構造化されたバッテリー技術は、CATL によって以前に提案された CTC 技術に似ています。この技術は、バッテリーセルとシャーシを統合し、革新的なアーキテクチャを通じてモーター、電子制御、および車両の高電圧システムを統合します。パワー ドメイン コントローラーは、配電を最適化し、エネルギー消費を削減します。

おわりに

以上の紹介で、電池関連の新しい技術について、皆様にはある程度ご理解いただけたと思います。全固体電池の実用化にはまだ辛抱強く待つ必要がありますが、近い将来、半固体電池、正極単結晶材料、およびシリコンドープリチウム添加技術が実現すると考えています。