全固体電池とその主要材料

固体電池とは何ですか？従来のリチウムイオン電池には、正極、負極、電解質、セパレーターの4つの主要コンポーネントが含まれています。固体電池は、電解質を固体電解質に置き換えます。従来のリチウムイオン電池と比較して、固体電池の主な違いは、電解質が液体から固体に変わったことであり、安全性と高エネルギー密度の両方を備えています。固体電解質電池は、リチウム電池とナトリウム電池の究極の形であり、安全性の問題を完全に解決でき、間違いなく新エネルギー市場の後半の主役です。固体電池の産業チェーンは、液体リチウム電池の産業チェーンとほぼ同じです。上流には、原材料、採掘、機械設備、基本材料が含まれます。両者の主な違いは、負極材料と電解質の種類にあります。正極材料はほぼ同じです。完全な固体電池に完全に開発されると、セパレーターも完全に置き換えられます。産業チェーンの中流は、バッテリーパックの加工および準備プロセスであり、産業チェーンの下流の応用分野には、新エネルギー車、エネルギー貯蔵システム、民生用電子機器などが含まれます。

固体電池の利点は次のとおりです。

（１）固体電解質は、液体電解質とセパレータの代替として使用される。固体電解質は発火点が非常に高いため、電池の熱安定性が向上する。

（２）固体電池の電圧プラットフォームは５Ｖで、液体電池の４．３Ｖよりも高く、高電圧電極材料と一致でき、電池エネルギー密度と比容量は液体電池よりも優れている。

（３）固体電解質は液体ではないため、漏れがなく、電池パックの設計が簡素化され、電池の重量と体積が削減され、エネルギー密度は300Wh/kgを超えることが期待されます。

固体電解質

固体電解質は、固体リチウムイオン電池のコアコンポーネントであり、電池のセパレーターと電解質の両方の役割を果たします。電解質のコア役割は、正極と負極の間でLi +を伝達することです。理想的な固体電解質は、イオン伝導率が高く、界面インピーダンスが低く、構造が安定しており、安全性が高く、機械的強度が高く、価格が安い必要があります。現在、さまざまな電解質に基づいて、主にポリマー固体電解質と無機固体電解質に分けることができます。前者の代表的なシステムはPEOポリエチレンオキシドであり、後者は酸化物、硫化物、ハロゲン化物システムです。

正極材料

固体電池の主な正極材料は、コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケルコバルト酸リチウム、コバルトアルミニウム酸リチウムです。

（1）コバルト酸リチウム：リチウムイオン電池によく使われる正極材料で、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命を実現できるが、安全性に問題がある。

（2）リン酸鉄リチウム：リン酸鉄リチウムはコバルト酸リチウムと比較して安全性が高く、寿命が長いですが、エネルギー密度は低くなります。

（3）リチウムニッケルコバルト酸化物：エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長いが、材料コストが高く、安全性に問題がある。

（4）リチウムコバルトアルミ酸化物：エネルギー密度は高いが、サイクル寿命はリチウムニッケルコバルト酸化物より若干低い。

（5）固体電解質における複数の材料の組み合わせ：例えば、マンガン酸リチウム（LiMn2O4）とチタン酸リチウム（Li4Ti5O12）は、より高い安全性とより長い寿命を提供できますが、エネルギー密度は比較的低くなります。

陽極材料

全固体電池の負極材料には、主にリチウム金属、炭素材料、シリコン材料の3種類があります。

（1）リチウム金属は主に固体リチウムイオン電池と固体リチウム硫黄電池に使用されています。このうち、固体リチウムイオン電池は、電気自動車やドローンなどの分野に応用できる高エネルギー密度電池の一種です。一方、固体リチウム硫黄電池は、エネルギー密度が高く、安全性が高い電池であり、航空宇宙、軍事などの分野での応用に適しています。

（2）炭素材料は主に固体リチウムイオン電池に使用されています。一般的な炭素材料であるカーボンナノチューブは、比表面積が大きく、電気化学特性に優れているため、高性能固体リチウムイオン電池に適しています。

（3）シリコンは、高い比容量と低コストを提供する新しい負極材料です。固体電池では、シリコンは固体電解質と反応してリチウムイオンを形成し、電池の充放電を可能にします。リチウム金属や炭素材料と比較して、シリコンは比容量が高いですが、サイクル安定性が比較的悪く、体積膨張や構造損傷が発生しやすいです。シリコン材料は主に固体リチウムイオン電池に使用されます。その中でも、一般的なシリコン材料であるシリコンナノワイヤは、比表面積が高く、電気化学性能に優れているため、高性能固体リチウムイオン電池に適しています。

セパレータ

セパレータ材料は固体電池の必須構成要素であり、主に正極と負極を隔離して電子伝導を防ぐために使用されます。セパレータ材料の組成は、主にポリマー、ナノスケールの粉末などです。研究によると、セパレータの代わりに、負極シートの両面に無機固体電解質層をコーティングし、無機固体電解質層の表面に有機ポリマー層をコーティングした二重コーティングを使用できることが示唆されています。現在、硫化物と酸化物の全固体電池にはセパレータが不要であるという見解があります。さらに、固体電池に関するさまざまな公開特許では、無機有機複合セパレータなどの複合セパレータの概念が提案されています。

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