電気自動車用のより良いバッテリーの設計

炭素排出量を削減する緊急の必要性は、電化されたモビリティへの急速な動きと、送電網への太陽光と風力の展開の拡大を促しています。 これらの傾向が予想通りにエスカレートした場合、電気エネルギーを貯蔵するためのより良い方法の必要性が高まります。

明らかに、大規模なグリッドベースのストレージのテクノロジーを開発することは重要です。 しかし、モバイルアプリケーション、特に輸送の場合、多くの研究は、今日のリチウムイオンバッテリーを適応させて、より安全で小型で、サイズと重量に対してより多くのエネルギーを蓄えることができるバージョンを作成することに焦点を当てています。

従来のリチウムイオン電池は改善を続けていますが、その構造のせいもあって、限界があります。 リチウムイオン電池は、有機（炭素含有）液体の周りに挟まれたXNUMXつの電極（XNUMXつは正とXNUMXつは負）で構成されています。 バッテリーが充電および放電されると、リチウムの荷電粒子（またはイオン）が液体電解質を介して一方の電極からもう一方の電極に移動します。

この設計の問題のXNUMXつは、特定の電圧と温度で、液体電解質が揮発して発火する可能性があることです。 バッテリーは通常の使用では一般的に安全ですが、リスクは依然として存在します。

もう一つの問題は、リチウムイオン電池が車両での使用に適していないことです。 大きくて重いバッテリーパックはスペースを取り、車両の総重量を増やし、燃料効率を低下させます。 しかし、今日のリチウムイオン電池を、エネルギー密度、つまり重量XNUMXグラムあたりに蓄えるエネルギー量を維持しながら小型化および軽量化することは困難です。

これらの問題を解決するために、研究者はリチウムイオン電池の主要な機能を変更して、全固体または「固体」バージョンを作成しています。 それらは、中央の液体電解質を、広範囲の電圧と温度で安定している薄くて固体の電解質に置き換えます。 その固体電解質で、彼らは多孔質炭素の通常の層よりはるかに薄い大容量の正極と大容量のリチウム金属負極を使用します。 これらの変更により、エネルギー貯蔵容量を維持しながらバッテリー全体を大幅に縮小することが可能になり、それによってより高いエネルギー密度を実現します。

これらの機能（安全性の向上とエネルギー密度の向上）は、おそらく、潜在的な全固体電池のXNUMXつの最もよく言われる利点です。

現在のリチウムイオン電池に関する業界の経験に基づいて、MITの研究者とその同僚は、材料の選択の結果としての将来のスケールアップに対する潜在的な制約を特定するのに役立つXNUMXつの幅広い質問を提案しています。 まず、このバッテリー設計では、生産が拡大するにつれて、材料の入手可能性、サプライチェーン、または価格の変動性が問題になる可能性がありますか？ （拡張マイニングによって提起された環境およびその他の懸念は、この調査の範囲外であることに注意してください。）次に、これらの材料からバッテリーを製造するには、部品が故障する可能性のある困難な製造ステップが必要ですか？ そして第三に、これらの材料をベースにした高性能製品を保証するために必要な製造措置は、最終的には製造される電池のコストを下げるか、上げるか？

彼らのアプローチを実証するために、Olivetti、Ceder、およびHuangは、現在研究者によって調査されている電解質の化学的性質と電池構造のいくつかを調べました。 彼らの例を選択するために、彼らと彼らの共同研究者がテキストとデータマイニング技術を使用して、文献で報告された材料と処理の詳細に関する情報を収集した以前の研究に目を向けました。 そのデータベースから、彼らはさまざまな可能性を表すいくつかの頻繁に報告されるオプションを選択しました。

材料と入手可能性

固体無機電解質の世界には、酸素を含む酸化物と硫黄を含む硫化物のXNUMXつの主要なクラスの材料があります。

チームが検討した硫化物は、リチウム、ゲルマニウム、リン、硫黄を組み合わせたLGPSでした。 入手可能性の考慮に基づいて、彼らはゲルマニウムに焦点を合わせました。ゲルマニウムは、一般的にそれ自体で採掘されていないため、懸念を引き起こす要素です。 代わりに、それは石炭と亜鉛の採掘中に生成される副産物です。

その利用可能性を調査するために、研究者たちは、石炭と亜鉛の採掘中に過去100年間に毎年どれだけのゲルマニウムが生産されたか、そしてどれだけの量が生産された可能性があるかを調べました。 その結果は、近年でもXNUMX倍以上のゲルマニウムが生成された可能性があることを示唆しています。 その供給の可能性を考えると、ゲルマニウムの入手可能性は、LGPS電解質に基づく全固体電池のスケールアップを制約する可能性は低いです。

リチウム、ランタン、ジルコニウム、および酸素からなる研究者が選択した酸化物、LLZOでは、状況はあまり期待できそうにありませんでした。 ランタンの抽出と処理は主に中国に集中しており、利用できるデータが限られているため、研究者はその利用可能性を分析しようとはしませんでした。 他のXNUMXつの要素は豊富に利用できます。 ただし、実際には、LLZOの処理を容易にするために、ドーパントと呼ばれる少量の別の元素を追加する必要があります。 そのため、チームは、LLZOの主な懸念事項として、最も頻繁に使用されるドーパントであるタンタルに焦点を合わせました。

タンタルは、スズとニオブの採掘の副産物として生産されます。 過去のデータによると、スズとニオブの採掘中に生成されたタンタルの量は、ゲルマニウムの場合よりも潜在的な最大値にはるかに近かった。 したがって、タンタルの入手可能性は、LLZOベースのバッテリーのスケールアップの可能性にとってより重要です。

しかし、地上での元素の入手可能性を知ることは、それを製造業者に届けるために必要なステップに対処していません。 そこで、研究者たちは、重要な要素（鉱業、加工、精製、輸送など）のサプライチェーンに関する後続の質問を調査しました。 豊富な供給が利用可能であると仮定すると、それらの材料を提供するサプライチェーンは、増大するバッテリーの需要を満たすのに十分な速さで拡大できますか？

サンプル分析では、2030年に予測される電気自動車のフリートにバッテリーを供給するために、ゲルマニウムとタンタルのサプライチェーンを毎年どれだけ成長させる必要があるかを調べました。例として、2030年の目標としてよく引用される電気自動車のフリート合計100ギガワット時のエネルギーを供給するのに十分なバッテリーの生産が必要になります。 LGPSバッテリーだけを使用してその目標を達成するには、過去の最大成長率が約50％であったため、ゲルマニウムのサプライチェーンは毎年7％成長する必要があります。 LLZOバッテリーだけを使用すると、タンタルのサプライチェーンは約30％成長する必要があります。これは、過去最高の約10％をはるかに超える成長率です。

これらの例は、スケールアップの可能性についてさまざまな固体電解質を評価する際に、材料の入手可能性とサプライチェーンの両方を考慮することの重要性を示しています。 ゲルマニウムの場合のように、利用可能な材料の量が問題にならない場合でも、サプライチェーンのすべてのステップを将来の生産に合わせてスケーリングします。 電気自動車 文字通り前例のない成長率が必要な場合があります。

材料と処理

バッテリー設計のスケールアップの可能性を評価する際に考慮すべきもうXNUMXつの要素は、製造プロセスの難しさと、それがコストにどのように影響するかです。 全固体電池の製造には必然的に多くのステップが必要であり、いずれかのステップで障害が発生すると、正常に製造される各バッテリーのコストが上昇します。

製造の難しさの代用として、研究者はデータベース内の選択された全固体電池設計の全体的なコストに対する故障率の影響を調査しました。 一例では、彼らは酸化物LLZOに焦点を合わせました。 LLZOは非常に壊れやすく、製造に伴う高温では、高性能の全固体電池で使用するのに十分な薄さの大きなシートが割れたり反ったりする可能性があります。

このような障害がコストに与える影響を判断するために、LLZOベースのバッテリーを組み立てる際の5つの主要な処理ステップをモデル化しました。 各ステップで、想定される歩留まり、つまり、失敗することなく正常に処理されたユニット全体の割合に基づいてコストを計算しました。 LLZOを使用すると、調査した他の設計よりも歩留まりがはるかに低くなりました。 また、歩留まりが低下すると、バッテリーエネルギーの各キロワット時（kWh）のコストが大幅に上昇しました。 たとえば、カソードの最終加熱ステップで故障したユニットが30％増えると、コストは約100ドル/ kWh増加しました。このようなバッテリーの一般的に受け入れられている目標コストがXNUMXドル/ kWhであることを考えると、重要な変更です。 明らかに、製造上の困難は、大規模な採用のための設計の実行可能性に深刻な影響を与える可能性があります。

材料と性能

全固体電池を設計する際の主な課題のXNUMXつは、「インターフェース」、つまり、あるコンポーネントが別のコンポーネントと出会う場所にあります。 製造中または操作中に、これらのインターフェースの材料が不安定になる可能性があります。 原子は本来あるべきではない場所に移動し始め、バッテリーの性能が低下します。

その結果、さまざまなバッテリー設計でインターフェースを安定化する方法を考案することに多くの研究が注がれています。 提案された方法の多くはパフォーマンスを向上させます。 その結果、kWhあたりのドルで表したバッテリーのコストが下がります。 しかし、このようなソリューションの実装には、通常、追加の材料と時間が必要であり、大規模製造中のkWhあたりのコストが増加します。

そのトレードオフを説明するために、研究者たちは最初に酸化物LLZOを調べました。 ここでの目標は、LLZO電解質と負極の間にスズの薄層を挿入することにより、XNUMXつの間に界面を安定させることです。 彼らは、そのソリューションを実装するコストに対するプラスとマイナスの両方の影響を分析しました。 彼らは、スズセパレーターを追加すると、エネルギー貯蔵容量が増加し、パフォーマンスが向上することを発見しました。これにより、ドル/ kWh単位の単価が削減されます。 ただし、スズ層を含めるコストは節約額を上回っているため、最終的なコストは元のコストよりも高くなります。

別の分析では、LPSClと呼ばれる硫化物電解質を調べました。これは、リチウム、リン、硫黄に少量の塩素を加えたものです。 この場合、正極には電解質材料の粒子が組み込まれています。これは、リチウムイオンが電解質から他の電極への経路を見つけることができるようにする方法です。 ただし、追加された電解質粒子は、正極の他の粒子と互換性がありません。これは、別のインターフェースの問題です。 この場合、標準的な解決策は、粒子を互いにくっつける別の材料である「バインダー」を追加することです。

彼らの分析では、バインダーがないとパフォーマンスが低下し、LPSClベースのバッテリーのコストが500ドル/ kWhを超えることが確認されました。 バインダーを追加すると、パフォーマンスが大幅に向上し、コストは約300ドル/ kWh低下します。 この場合、製造中にバインダーを追加するコストは非常に低いので、バインダーを追加することによる本質的にすべてのコスト削減が実現される。 ここで、インターフェースの問題を解決するために実装された方法は、より低いコストで報われます。

研究者は、文献で報告されている他の有望な全固体電池について同様の研究を行い、その結果は一貫していました。電池の材料とプロセスの選択は、ラボでの短期的な結果だけでなく、製造の実現可能性とコストにも影響を与える可能性があります。将来の需要を満たすために必要な規模の全固体電池を提案しました。 結果はまた、XNUMXつの要素すべて（可用性、処理の必要性、およびバッテリーのパフォーマンス）を一緒に考慮することが重要であることを示しました。これは、集合的な影響とトレードオフが関係する可能性があるためです。