ハーバード大学の研究者らは、30 分で充電して XNUMX 年間持続する全固体電池を開発しましたが、大々的に宣伝されたこの技術は依然としてエネルギー転換のための長期的な解決策です。
人々はゆっくりと、しかし確実に電気自動車（EV）を受け入れ始めていますが、世界が2050年に正味排出ガスゼロ目標を達成するには、その移行のペースはまだ加速する必要があります。EVの飛躍的な進歩にもかかわらず、多くのドライバーは依然として電気自動車から離れることに消極的です。ガソリン車の利便性の背後にあるもの。イプソス森社の昨年の調査では、米国の消費者がEVを購入する際の主な障壁として、コストに加えて、充電ステーションの不足やバッテリー寿命に対する懸念が挙げられている。自動車メーカーにとって、その多くは、EVのボンネットの下にある現行のリチウムイオン（Li-ion）電池の航続距離と寿命に対する永続的な制限に起因する。
しかし、ハーバード大学の科学者チームは、これらの難題の解決に向けて重要な一歩を踏み出したと信じています。工学応用科学部 (SEAS) の研究者は、新しい 「固体の状態 ガソリンタンクを満タンにするのにかかる時間内に充電でき、一般的な EV バッテリーよりも 3 ～ 6 倍の充電サイクルに耐えることができるバッテリーです。
全固体電池は長い間、交通機関の電化への広範な移行のための聖杯と考えられており、近年その商品化競争が加速している。トヨタやフォルクスワーゲンなどは独自のバージョンを開発しており、2010年代の終わりまでに車両に搭載したいと考えている。ハーバード大学によるこの最新のイノベーションの後押しを受けて、全固体電池はついにその誇大広告に応える準備が整ったのでしょうか?
液体電解質に対する固体電解質の利点
現在、リチウムイオン電池が主流となっています。携帯電話やラップトップからEVやエネルギー貯蔵システムに至るまで、あらゆるものに使用されています。研究者やメーカーは、過去 90 年間でリチウムイオン電池の価格を XNUMX% 引き下げてきましたが、さらに安くできると信じています。彼らはまた、さらに優れたリチウム電池を製造できると信じています。
これらの電池は、放電および充電時に液体電解質を使用してカソードとアノードの間でイオンを移動させます。ただし、この液体は可燃性であるため、バッテリーの寿命を延ばす材料を追加することができません。研究者らは、解決策の 1 つは液体電解質の代わりに固体を使用することであると考えています。
これらの全固体電池は、液体ベースの電池に比べてさまざまな利点を約束します。何よりも、より高いエネルギー密度を提供します。つまり、単位体積または単位重量あたりにより多くのエネルギーを蓄えることができるため、バッテリー寿命が長くなったり、バッテリーパックが小型で軽量になったりする可能性があります。また、より長いサイクル寿命も約束されます。劣化することなくより多くの充放電サイクルに耐えることができるため、バッテリーの寿命が長くなります。固体電解質の使用により、より効率的なイオン輸送により、バッテリー損傷の危険を冒さずに、より高速な充電も可能になります。
全固体電池は液体ベースの電池よりも広い温度範囲で動作できるため、極端な天候下でもより適切に使用できます。固体電解質は、液体ベースのバッテリーの火災や爆発につながる可能性のある短絡や過熱のリスクを軽減するため、一般に安全であると考えられています。最後に、固体電解質は、より安価で環境に優しい幅広い材料から作ることができます。
全体として、全固体電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して性能、安全性、寿命が向上し、電池業界に革命を起こす可能性を秘めています。 「全固体電池はエネルギー密度が高いため、（定置型）エネルギー貯蔵システムではなくEVに最も適しており、大型輸送機関の電化に大きく貢献する可能性があります」と、エネルギーモデラーのテオ・ロンバード氏は言う。国際エネルギー機関 (IEA) での輸送。
全固体電池設計の「飛躍」
SEASの研究者らは、典型的な「コイン電池」型ではなく、「パウチ電池」設計を使用して切手サイズの電池を開発した。バッテリーは 80 回の充電サイクル後も 6,000% の容量を維持し、低温でも良好に動作しました。研究者らが典型的な黒鉛陽極のXNUMX倍の容量を持つリチウム金属陽極を使って電池を作る方法を発見したため、他の固体電池よりも優れた性能を発揮した。
新しい多層、複数材料の設計は、アノードの表面から電解質中に成長する根のような構造である「デンドライト」という蔓延する問題を克服することができました。これらは、対向するカソードを隔てる障壁を突き破り、バッテリーを短絡させ、場合によっては発火させる可能性があります。
約 30 年に相当するバッテリーの寿命の延長により、EV のコストが大幅に削減される可能性がある一方、数分でバッテリーを充電できるため、他の用途に応用できる並外れた電力密度が得られます。
「バッテリーを 5 ～ 10 分で 6,000 サイクル充電することができました。通常、EV バッテリーの充電には数時間かかり、サイクル数は 1,000 ～ 2,000 回です」と、SEAS 材料科学准教授であり、このプロジェクトの主任研究者である Xin Li 氏は述べています。 「私たちの研究では、銀、マグネシウム、シリコンなどの他の材料を陽極として使用できることも示しています。これは間違いなく全固体電池の量産規模の拡大に向けた飛躍です。」
「研究室から現実世界へ」
しかし、誰もが納得しているわけではありません。 「全固体電池の現在の課題は、セルレベルでさらに優れたものを実現することではなく、実装とスケールアップです」とロンバード氏は言います。
エンジニアリングの観点から見ると、業界がまだ克服できていない課題は、非常に高い圧力に耐えることができ、同時に「呼吸」、つまり膨張と収縮ができるソリッドステート バッテリー パックを製造することです。 「この問題の解決策は全固体電池のエネルギー密度の向上を打ち消す可能性があるため、これは実際に業界がスケールアッププロセスを通じて今後数年間に答えなければならない問題です」とロンバード氏は言います。
安全性の観点から、全固体電池メーカーが克服する必要があるもう 1 つの問題は、短絡時に全固体電池が発火しなくても、エンジン内の他の材料が発火する可能性があることです。 「繰り返しになりますが、これは工業レベルでテストして検証する必要がある工学的な課題です」とロンバード氏は言います。
最後に、全固体電池のサプライチェーン構築という大きなハードルがあります。ロンバード氏によると、バッテリーは微量の汚染物質でも機能しないため、バッテリーのサプライチェーンでは高品質の材料が非常に大量に必要となります。 「それを構築するには長い時間がかかります」と彼は言います。 「それはまた、より広範なバッテリー分野が指数関数的に成長しているためであり、そのためソリッドステートが固定市場に参入しているのではなく、従来のリチウムイオンバッテリーを含むあらゆるテクノロジーが驚くべき速さで進歩しており、ある程度の利益を得る必要がある市場に参入しているからです」その中のスペース。」
ロンバード氏にとって、全固体電池の成功は、新たな学術的進歩によってもたらされるのではなく、「この研究は重要ではあるが」と彼は警告する――むしろ、産業界が残りの工学的課題をどのように解決し、関連するサプライチェーンを開発するかである。
「固体電池には多くの可能性がありますが、業界がこれらの[エンジニアリング]課題をどのように解決するかによって、固体電池がEV用電池市場を引き継ぐか、それとも超長距離の乗用車やトラック向けのニッチな用途に留まるかが決まります」と彼は言う。
世界的な特許データに基づいて技術のブレークスルーを予測する AI 分析プラットフォームである Focus の最近の調査によると、全固体電池技術は前年比 31% の割合で進歩しています。印象的なものではありますが、リチウムイオン電池も同様に 30.5% 向上しているため、現時点では既存企業を打ち破るのに十分なペースではありません。
IEAは、全固体電池がネットゼロ移行、特に電気トラックなどの用途による重量物輸送の脱炭素化において重要な役割を果たすと予測している。 「しかし、業界を過度に宣伝したり過小評価したりしないことが重要です」とロンバード氏は言う。全固体電池がその可能性を発揮することに成功したとしても、それは2030年代のいつかになるだろうと同氏は予測する。 「今、彼らを研究室から現実の世界に移す必要があるのです。」
リー氏は、ソリッドステートが主流になるのは 2030 年頃になるだろうと考えています。 「それまでに、克服しなければならない技術的な障壁がまだたくさんあります」と彼は言います。 「（最近の）画期的な進歩は、必ずしも2030年の日付を前倒しするわけではありません。むしろ、その日付を可能にするものなのです。」
ソースから ただ自動
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