リチウムイオン電池とその製造の課題

リチウムイオン電池 は 製造された 電極のセットに組み込まれ、セルに組み立てられます。活物質をポリマーバインダー、導電性添加剤、溶媒と混合してスラリーを形成し、集電箔上にコーティングして乾燥させて溶媒を除去し、多孔質電極コーティングを作成します。

単一のリチウムイオン電池はありません。さまざまな材料と電気化学的対が利用できるため、電圧、充電状態の使用、寿命のニーズ、安全性の観点からアプリケーションに特化したバッテリー セルを設計することができます。特定の電気化学カップルを選択すると、電力とエネルギーの比率、および利用可能なエネルギーの設計も容易になります。

大型セルに統合するには、最適化されたロールツーロール電極の製造と活物質の使用が必要です。電極は、活物質、バインダー、導電性添加剤の複合構造で金属集電箔上にコーティングされており、コロイド化学、接着、固化を注意深く制御する必要があります。しかし、追加された不活性物質とセルのパッケージングにより、エネルギー密度が低下します。さらに、電極の多孔性と圧縮の程度が電池の性能に影響を与える可能性があります。

これらの材料上の課題に加えて、コストもこの技術の広範な採用に対する大きな障壁となっています。電池を500ドル/kWhで市販されている100Wh/kgと200Wh/Lから、わずか125ドル/kWhで最大250Wh/kgと400Wh/Lまで提供する道が模索されている。

リチウムイオン電池の基礎

リチウムイオン電池は、コバルト酸リチウム（LiCoO）の発見によって可能になりました。 ₂ ）これにより、リチウムイオンの抽出と、既存のイオンの半分の除去に至るまでの大量の空孔の生成（結晶変化なし）が可能になります。 LiCoOのペアリング ₂ グラファイトを使用すると、炭素原子のすべての六角形環の間の格子間位置を占めるグラフェン層間にリチウムイオンが挿入されます (Besenhard および Schöllhorn 1976、Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976)。

リチウムイオンは、充電中は正極 (カソード) から固体または液体の電解質を通って負極 (アノード) まで移動し、放電中は逆方向に移動します。各電極では、イオンは電荷を維持して結晶構造に挿入され、アノード側の既存の結晶の格子間サイトを占めるか、リチウムイオンが結晶を離れたときに形成されたカソードの空いたサイトを再占有します。イオンの移動中、ホストマトリックスは還元または酸化され、電子を放出または捕捉します。 ¹

さまざまな正極材料

新しい正極材料の探索は、LiCoO の重要な欠点によって部分的に推進されています。 ₂ 。バッテリーの中心温度は 40 ～ 70°C であり、低温反応の影響を受ける可能性があります。しかし、105 ～ 135°C では非常に反応性が高く、安全上の危険をもたらす優れた酸素源となります。 熱暴走反応 この反応では、高度な発熱反応によって温度が急上昇し、余分な熱が放出されて急速に加速します (Roth 2000)。

LiCoO代替材 ₂ そのような失敗をする可能性が低くなります。この化合物はコバルトの一部をニッケルとマンガンで置き換えて、Li(Ni _× ん _y コ _z )O ₂ 化合物（ × + y + z = 1)、ニッケル、マンガン、コバルトが含まれているため、NMC と呼ばれることがよくあります。あるいは、リン酸塩の形でまったく新しい構造を示します (例: LiFePO ₄ ) (ダニエル他、2014)。これらの正極材料はすべて、3.5 ～ 3.7 V で 120 ～ 160 Ah/kg の範囲の容量を示し、最大エネルギー密度は最大 600 Wh/kg になります。

ただし、実際のデバイスにパッケージされると、不活性物質の質量が大量に追加され、エネルギー密度はパックレベルで 100 Wh/kg に低下する傾向があります。より高いエネルギー密度を推進するために、研究者はより高い容量とより高い電圧を追求し、リチウムとマンガンを豊富に含む遷移金属酸化物でそれらを発見しました。これらの化合物は本質的に NMC と同じ材料ですが、ニッケルとコバルトの代わりに過剰なリチウムと多量のマンガンが使用されています。リチウムの量が多い (20 パーセントも多い) と、化合物の容量が大きくなり (Thackeray et al. 2007)、電圧が高くなり、最大 4.8 V まで充電した場合、最大 280 Ah/kg の正極が得られます。 、これらの新しいコンパウンドは安定性に問題があり、すぐに色褪せる傾向があります。

細胞内の物質のバランス

リチウムイオン電池は、アルミニウムと銅の集電箔上の多孔質電極の層で作られています (Daniel 2008)。バッテリーの安全性を確保し、アノードの過充電（リチウム金属メッキや短絡を引き起こす可能性がある）やカソードの過放電（結晶構造の崩壊を引き起こす可能性がある）のリスクを回避するには、各電極ペアの容量のバランスをとる必要があります。リチウムが再インターカレートするための空孔が失われ、容量が劇的に減少します）。

グラファイトの理論容量は 372 Ah/kg で、NMC 正極で利用可能なリチウムの 2 倍です。したがって、バランスの取れたリチウムイオン電池では、通常、カソードはアノードに比べて 2 倍の厚さを示します。このセル設計の固有の欠陥は物質輸送と速度論に問題を引き起こすため、高容量のカソードの探索が促されました。

セルレベルのエネルギー密度を高めるために、バッテリーセル内の不活性物質が最小限に抑えられています。たとえば、集電体を減らす 1 つの方法は電極の厚さを増やすことですが、これにより輸送の問題がさらに発生し、電極の多孔性を高度に設計する必要があります。

リチウムイオン電池製造におけるコストの課題

リチウムイオン電池のコストは、内燃機関で動く自動車と比較して、電気自動車やコスト中立の製品が完全に普及するために自動車市場が負担できるコストよりもはるかに高い。米国エネルギー省のすべての電気自動車バッテリーのコスト目標は、使用可能なエネルギーあたり 125 ドル/kWh です (DOE 2013)。商用電池の現在のコストは 400 ～ 500 ドル/kWh で、現在の実験材料を使用した場合の予測コストは 325 ドル/kWh です。これまでのコスト削減のほとんどは、旧世代の製品と同様のコストでエネルギー密度を高めることによって達成されてきました。

製造スキームの最適化によりさらなるコスト削減が可能です。リチウムイオン電池は電極セットとして製造され、セルとして組み立てられます。活物質をポリマーバインダー、導電性添加剤、溶媒と混合してスラリーを形成し、集電箔上にコーティングして乾燥させて溶媒を除去し、多孔質電極コーティングを作成します。最適な溶媒である N-メチルピロリドン (NMP) は、 間接材 （生産には必要ですが、最終的なデバイスには含まれていません）しかし、高価で、可燃性の蒸気を発生し、非常に有毒です。

NMP の可燃性蒸気は、電極製造中のすべての処理装置が防爆であることを必要とします。つまり、火花を発生させるすべての電気部品を蒸気から保護する必要があり、蒸気濃度を低く保つために空間を十分に換気する必要があります。これらの措置により、そのような機器の資本コストが大幅に増加します。

さらに、電極製造プラントでは、排気流から溶媒を回収し、蒸留してリサイクルする必要があります。これもまた追加費用です。

水系処理によるコストダウン

NMP を水に置き換えることは、リチウムイオン電池の製造コストを削減する大きな機会となります。水のコストは NMP のコストに比べて無視できます。水は可燃性ではなく、可燃性の蒸気を生成しません。そして水は環境に優しいのです。しかし、水は極性溶媒であり、非極性のNMPとは挙動が全く異なります。さらに、活物質は凝集する傾向があり、金属集電体の表面は疎水性であるため、コーティングプロセスがより困難になります。

(ゼータ電位の測定による) 粒子の表面電荷の知識により、少量の界面活性剤を導入することにより、水の存在下での表面極性の設計が可能になります。カソード層間化合物の場合、ポリエチレンイミドを使用して粒子を反発するのに十分な大きさの表面電荷を導入し、粒子が許容できない凝集体を形成しないようにすることに成功しています (Li et al. 2013)。

金属の表面エネルギーとスラリーの表面張力、およびそれらの相互作用を理解することで、ペアの最適化が可能になります。コロナプラズマにさらして金属表面を大気プラズマ処理すると、表面の有機化合物が除去され、わずかなエッチングと酸化が可能になり、表面エネルギーがスラリーの表面張力以下の値に劇的に減少します。これにより、スラリーによる表面の完全な湿潤が可能になり、最適化された接着力を備えたコーティングが作成されます (Li et al. 2012)。その結果、電極製造における運用コストと材料コストが 75 パーセント削減され、自動車用途のバッテリー パック レベルでは最大 20 パーセントの潜在的なコスト削減が可能になります (Wood et al. 2014)。これには、設備コストの削減は含まれていません。プラズマ処理装置に関連する費用は、溶媒回収システムや防爆要件にかかる費用よりもはるかに低くなります。

将来のコスト削減の可能性

電気化学的性能に対する輸送メカニズムと電極構造の影響についてのより深い知識により、さらなるコスト削減が達成されるでしょう。現在の研究は、分子機構を理解し、電極、電極スタック、バッテリーセルの設計を改善するためのモデリングとシミュレーションに主に焦点を当てています。より厚い電極と不活性物質の大幅な削減により、より低コストでエネルギー密度が向上し、直接コストが削減され、おそらく、はるかに短く、エネルギー集約度の低い電池形成サイクルが可能になります。

結論

リチウムイオン電池は、自動車車両の部分電化から全面電化を可能にし、輸送用のエネルギー源を多様化し、断続的な再生可能エネルギー供給の浸透を高めるための大規模なエネルギー貯蔵をサポートするという大きな可能性を秘めています。しかし、コストは引き続き問題であり、堅牢なサプライチェーン、製造基準、高い製造スループット、合理化された低コストの処理方法の開発によって対処する必要があります。コストの削減に加えて、研究により分子プロセスや輸送の問題についての知識が深まり、電池の設計と利用可能なエネルギーの使用を最適化し、電池の寿命を延ばすことができます。

この論文に示されているように、電極活物質のエネルギー含有量と容量の増加、および製造時の間接材料の削減は、コストに影響を与える 2 つの方法です。

謝辞

米国エネルギー省向けのオークリッジ国立研究所 (ORNL; UT Battelle, LLC が管理) でのこの研究の一部 (契約 DE-AC05-00OR22725) は、エネルギー効率および再生可能エネルギー局 (EERE) の車両技術の支援を受けました。 Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) サブプログラム (プログラム マネージャー: Peter Faguy および David Howell)。著者は、ORNL の DOE 電池製造研究開発施設の David Wood、Jianlin Li、Debasish Mohanty、および ORNL 材料科学技術部門の Beth Armstrong との多くの実りある議論と貢献に感謝します。

記事出典：スプリングブリッジ： エンジニアリングのフロンティアとその先から