リチウムイオン電池とその主要材料の開発動向

1. はじめに

新エネルギー車の開発は、エネルギーと環境の課題に効果的に対処するための重要な戦略的手段として広く認識されています。さらに、中国にとって新エネルギー車の開発は、中国が「自動車大国」から「自動車強国」に移行する唯一の道である。近年、新エネルギー車の生産・販売は爆発的な伸びを示し、全世界での保有台数は130台を超え、1万台が大規模工業化の段階に入った。中国はまた、2015年に米国を超えて新エネルギー車の世界最大の生産・販売国となった。動力電池の一部または全体を動力源とする電気自動車は、高効率、省エネという顕著な利点があるため、新エネルギー車の主な開発方向となっている。およびオフサイト排出。電気自動車は、より遠く、より速く、より安全に、より便利に走行できる必要があります。比エネルギーと比出力のさらなる向上、寿命の延長と充電時間の短縮、安全性と信頼性の向上、コストの削減が動力電池技術開発のテーマとトレンドです。

最近、中国自動車工程協会が発表した省エネ・新エネルギー自動車技術のロードマップは、中国における動力電池技術の発展の青写真を描いた。ロードマップでは、純粋な電気自動車用パワーバッテリーの比エネルギーが 2020 年までに 350 Wh/kg、2025 年までに 400 Wh/kg、2030 年までに 500 W/kg に達すると提案しています。一方、既存のリチウムイオンパワーバッテリー技術システムはニーズを満たしています。新エネルギー車の大規模開発において、新しいリチウムイオン電池の開発に焦点を当て、その安全性、安定性、寿命を向上させ、新しいシステムの前向きな研究開発を実施します。同時に電源バッテリーも使用します。中長期的には、新しいリチウムイオン電力の最​​適化とアップグレードを継続します。同時に、エネルギー密度を大幅に向上させ、コストを大幅に削減し、新システム電源電池の実用化・大規模応用を実現できる新システム電源電池の研究開発にも注力しています。

今後もリチウムイオン電池が動力電池の主流製品であり続けると考えられます。リチウムイオン電池には、比エネルギーが高く、サイクル寿命が長く、環境に優しく、エネルギー密度と出力密度が優れているという利点があります。総合性能を備えた最高の動力電池として、さまざまな電気自動車に広く採用されています。

本稿では、リチウムイオン電池の産業・技術開発を簡単に紹介し、リチウムイオン電池の主要材料の開発動向を正極材料、負極材料、隔膜、電解質の面から概説する。この論文では、リチウムイオン電池用の正極材料と負極材料の選択およびマッチング技術についても説明します。電池の安全性や電池製造技術などの主要技術を簡潔に分析し、リチウムイオン電池の研究において注意すべき基本的な科学的問題を提起します。

2. リチウムイオン電池産業の技術開発

産業発展の観点から、パナソニック、AESC、LG化学、サムスンSDIなどの世界的に有名な電気自動車用動力電池メーカーは、高比エネルギーリチウムイオン電池の研究開発を積極的に推進しています。つまり、日本のリチウム電池産業の技術的ルートはマンガン酸リチウムである。 (LMO) からリチウム ニッケル コバルト マンガン酸三成分 (NCM) 材料まで。例えば、松下電器の動力電池技術路線では初期にはマンガン酸リチウムが使用され、現在では正極材料として三元マンガン酸リチウムニッケルコバルトやアルミン酸リチウムニッケルコバルト（NCA）が開発されている。同社の動力電池は主にテスラ車などに搭載されている。韓国企業は、LG 化学初期採掘など、マンガン酸リチウム材料をベースにしています。近年、サムスンの SDI および LG 化学は、シボレー ボルト モデルの正極材料としてマンガン酸リチウムを適用する際に、マンガン酸リチウム ニッケル コバルトの三元材料に注目しています。

現在、BYDなど中国の主流のパワーリチウム電池メーカーは依然としてリン酸鉄リチウムが独占している。リン酸鉄リチウム電池は広く使用されていますが、そのエネルギー密度は 2007 年の 90Wh/kg から現在 140 W/kg まで増加しています。しかし、パワーバッテリーのエネルギーが増加するにつれて、リン酸鉄リチウムバッテリーのエネルギー密度を向上させるためのスペースは限られているためです。密度要件の増加に伴い、国内の動力電池メーカーは技術ルートをニッケル-コバルト-マンガン三元電池、ニッケル-コバルト-アルミニウム、またはそれらの混合物に転換する傾向が明らかです。

3. リチウムイオン電池の主要材料の開発動向

リチウムイオン電池は、正極としてリチウムイオンを含むリチウム化合物、低電位で可逆的に埋め込まれて除去されるリチウムイオンを含む材料を正極として、リチウムイオンを伝導する電子絶縁層をセパレータとして、有機溶媒に溶解したリチウム塩を電解質として使用します。正極材、負極材、セパレータ、電解液の4つがリチウムイオン電池の主要材料です。

3.1 正極材料

マンガン酸リチウム (LMO) は、原料コストが低く、合成プロセスが簡単で、熱安定性が良く、レート性能と低温性能が優れているという利点があります。しかし、ヤーン・テラー効果と不動態層の形成、高電位でのマンガンの溶解と電解質の分解により、高温サイクルおよび保存性能は劣ります。化学電解質、材料比表面積の制御、LMO 材料の高温特性と保存特性を改善するための表面改質は、現在の研究において一般的で効果的な改質方法です。

リン酸鉄リチウム (LFP) 正極材料は、材料骨格全体の構造におけるリン酸ポリアニオンの安定した役割により、優れた熱安定性とサイクル性能を備えています。同時に、リン酸鉄リチウム材料は比較的低コストで環境に優しいため、LFP は電気自動車の動力バッテリーの主流の材料となっています。リチウムイオンはオリビン構造の一次元チャネルを通って移動するため、LFP 材料には導電性が低く、リチウムイオンの拡散係数が低いなどの欠点があります。

材料調製の観点から見ると、LFP の合成には複雑な多相反応が含まれるため、化学反応の基本的な熱力学的理由によって決定される反応の一貫性を確保することが困難です。リン酸鉄リチウムの改良は主に、表面コーティング、イオンドーピング、ナノ材料の 3 つの側面に焦点を当てています。生産プロセスの自動化は、LFP のバッチ安定性を向上させるための基本的なソリューションです。しかし、リン酸鉄リチウム材料の低電圧プラットフォーム（約3.4V）により、リン酸鉄リチウム電池のエネルギー密度は低く、長期使用の小型乗用車の分野での応用は制限されています。

ニッケル - コバルト - マンガン三成分 (NCM) または多成分材料の利点は、適度なコスト、高い比容量、特定の範囲で調整可能なニッケル - コバルト - マンガン比、およびさまざまな特性にあります。現在、海外で使用されているパワーリチウム正極材料は主にニッケル・コバルト・マンガンの三元系材料または多成分系材料に集中しているが、解決すべき緊急の問題がまだいくつかある。問題には、低い電子伝導性、大きな速度での安定性の低下、高電圧でのサイクル特性の低下、カチオン混合（特にニッケルリッチ三成分）、高温および低温性能の低下、安全性能の低下などが含まれます。さらに、三元陰極材料の安全性能が低いため、セラミック隔膜材料などの適切な安全機構を採用することが業界のコンセンサスとなっています。

安全性の問題を考慮すると、プロセスの改善（電極シェルの軽量化など）によって出力用リチウムイオン電池のエネルギー密度を向上させる余地は限られています。電力用リチウムイオン電池のエネルギー密度をさらに向上させるために、高電圧および高容量の正極材料の開発が電力用リチウムイオン電池の比エネルギーを大幅に増加させる主な方法となっています。

3.1.1 高電圧陰極材料

より高い電圧を出力できるカソード材料の開発は、材料のエネルギー密度を向上させる重要な方法の 1 つです。さらに、高電圧のもう一つの顕著な利点は、電池をグループ化する場合、より少ない数の単電池を直列に使用することで定格出力電圧を達成でき、電池の制御ユニットを簡素化できることである。電圧陰極材料は、スピネル遷移金属ドープされたＬｉＭ ｘ Ｍｎ ２ ・ＸＯ ４ （Ｍ＝Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕなど）である。最も典型的な材料は LiNi 0.5Mn 1.5O 4 です。その比容量はわずか 146 mAh/g ですが、動作電圧が 4.7 V であるため、エネルギー密度は 686 W h/kg に達します。球状のスピネル型リチウムニッケルマンガン酸化物（LNMO）材料を、ナノ多面体集合体から含浸法により合成した。この構造は、電解液の浸漬やリチウムイオンの挿入・除去に非常に有利です。充放電プロセス中の材料の体積変化に適応し、材料粒子間の張力を軽減します。マイクロ Mn 3+ LMMO の電気化学的性能は優れています。 80サイクルの充放電後も、放電比容量は107mAh/gを維持でき、容量維持率は100%に近い。 LiNi 0.5Mn 1.5O 4 の比容量の減衰により、その商品化プロセスが制限されます。その理由は主に活物質と、集電体と電解質の間の相互作用に関連しています。電解質のため、LiNi 0.5Mn 1.5O 4 の比容量の減衰により、その商品化プロセスが制限されます。 4.5V 電圧を超える従来の炭酸塩電解質の酸化や分解など、高電位での不安定性により、高電圧の充放電下でリチウムイオン電池が膨張し、サイクル性能が悪化します。

したがって、高電圧カソード材料は電解質のマッチングの問題を解決する必要があります。上記問題を解決する方法としては、以下の３つの側面が挙げられる。 (1) 材料の表面コーティングとドーピング。例えば、最近、LiNi 0.5 Mn1.2 Ti 0.3 O 4 材料が、Kim et al. によって表面の 4 価 Ti 置換によって得られました。透過型電子顕微鏡 (TEM) により、材料の表面に固体の不動態化層が形成されていることがわかりました。したがって、インターフェースの副作用が軽減されます。 30℃でのフルセル実験では、4.85Vカットオフ電圧で200サイクル後に容量維持率が約75%増加することが示されています。しかしながら、単一表面のコーティング／ドーピングは、長期のサイクル安定性（例えば、５００サイクルを超える）を提供しないようである。適用にあたっては他の戦略との組み合わせを考慮する必要があります。 (2) 電解質添加剤またはその他の新しい電解質の組み合わせを使用します。

山田チームは、単純な LiFSA/DMC (モル比 1:1.1) 電解質システムを使用することにより、40℃で 100 サイクル後に、LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4/グラファイト電池の容量 90% を達成しました。システムは一桁減少しましたが（30℃で約 1.1 mS/cm）、依然として維持され、有効になりました。 ＬｉＮｉ ０．５ Ｍｎ １．５ Ｏ ４ のサイクル寿命は、電気化学的に活性なＬｉ ４＋ｘ Ｔｉ ５ Ｏ １２ 膜およびリチウムナフィオン膜と市販のＰＰ膜との複合膜を使用することによって大幅に改善できることが証明されている。

さらに、LiTiMnO 4、LiCoMnO 4 およびオリビンリン酸塩/フルオロリン酸塩など、LiNi 0.5Mn 1.5O 4 から誘導されたいくつかの新しいスピネル高電圧材料 (LiCoPO 4、LiNiPO 4 および LiVPO 4F など) が広く研究されています。

3.1.2 高容量正極材料

カソード材料の比容量はカソード材料の比容量よりもはるかに高いため、リチウムイオン電池のエネルギー密度に対するカソード材料の影響はより大きくなります。単純な計算では、現在のレベルで、正極材料の比容量が 2 倍になれば、電池のエネルギー密度は 57% 増加できることがわかります。ただし、カソード材料の比容量はカソード材料の比容量よりもさらに高くなります。電池のエネルギー密度は現状の10倍でも47％しか高めることができない。

ニッケル・コバルト・マンガン三元系材料の中で、Ni が主な活性元素です。一般に、活性金属の含有量が多いほど、材料容量は大きくなります。 NCM111 や NCM523 などの低ニッケル多成分材料は、エネルギー密度が低くなります。パワーバッテリーのエネルギー密度は120〜180Wh/kgに達する可能性があり、より高いエネルギー密度の要件を満たすことができません。定量的カソード材料の開発方向の 1 つは、ニッケル含有量の高い三元系または多成分系を開発することです。

高ニッケル多成分系では、ニッケル含有量が 80% を超える多成分材料 (NCA または NCM811) のエネルギー密度には明らかな利点があります。これらの材料で作られた電池のエネルギー密度は、適切な高容量負極と電解質を組み合わせた後、300 Wh/kg 以上に達する可能性があります。しかし、高ニッケル多成分材料のサイクル安定性、熱安定性、保存性能は非常に劣ります。一般に、ニッケルの含有量が高すぎると、Ni2+ が Li+ の位置を占め、カチオン混合が生じ、Li+ の埋め込みと除去が妨げられ、容量が低下すると考えられています。さらに、材料表面は空気や電解質と副反応しやすく、材料構造の安定性が低く、高温では表面触媒活性が低くなります。サイズが大きくなることも、容量低下の重要な原因であると考えられます。

上記の問題を解決するには 3 つの方法があります。

(1) 材料の効果的な表面コーティングまたはバルクドーピング。たとえば、最近、Chae et al. NCM811 を湿式化学法により N,N-ジメチル ピロール スルホン酸でコーティングすると、材料と電解質の間の界面が効果的にブロックされ、高ニッケル三元材料の表面での電解質の触媒分解が抑制され、最初の 50 サイクルの平均クーロン効率が向上しました。 1Cレート。率は99.8%、容量維持率は97.1%でした。

(2) 濃度勾配のある高ニッケル三元系の開発。 Sun の研究チームは、共沈法により二重傾斜濃度勾配の三元材料を調製しました。この材料は、高容量の獲得と維持に役立つ内部のニッケル含有量が高く、外層のマンガン含有量が高く、サイクル安定性と熱安定性に役立ちます。 Ａｌドーピングにより、濃度勾配のあるＬｉＮｉ ０．６１ Ｃｏ ０．１２ Ｍｎ ０．２７ Ｏ ２ の容量保持率は、３０００サイクル後に６５％から８４％に増加した。

(3) 高容量正極材料に適した電解質添加剤または新しい電解質システムの開発。

現在、高ニッケルマルチ材料の量産技術は主に住友、日本のホンダ、サムスンSDI、LG、韓国のGSなどの数社の日韓企業の手に渡っている。分野では、材料のニッケル含有量は 78 ～ 90 mol で、材料の容量は 190 ～ 210 mA h/g に集中しています。企業は電気自動車の分野、特に電気自動車の分野でそれを適用しようとしています。テスラが使用するニッケル・コバルト・アルミニウム（NCA）は広く注目を集めています。 NCA と NCM811 には、容量と生産プロセスの点で多くの類似点があることに注意してください。 Panasonic 18650 バッテリーの正極は NCA 正極を使用しており、バッテリーのエネルギー密度は約 250Wh/kg です。しかし、NCA材はアルミニウム元素の分布が不均一であるため、成長が困難です。主に円筒形電池の分野で使用されます。円筒形電池は電池管理システムに高度な技術とコストが必要です。

さらに、Li-2 MnO-3 をベースとした高い比容量 (200-300 mAh/g) を備えた Li-リッチ正極材料 zLi-2 MnO-3 (1?Z) LiMO-2 (0)

3.2 負極材料

リチウムイオン電池の負極材料は炭素材料と非炭素材料に分類されます。炭素材料は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズ炭素微小球、ソフトカーボン（コークスなど）および一部のハードカーボンなどの黒鉛と非晶質炭素に分類されます。他の非炭素アノード材料には、窒化物、シリコンベースの材料、スズベースの材料、チタンベースの材料、および合金材料がある。

アノード材料は、低コスト、高比エネルギー、および高い安全性の方向に向かって発展し続けるでしょう。現在でも、黒鉛材料（人造黒鉛、天然黒鉛、メソフェーズ炭素微小球を含む）がリチウムイオン電池の主流の選択肢となっています。近～中期的には、シリコン系材料などの新しい大容量負極材料が徐々に成熟し、高容量負極材料の代表としてチタン酸リチウムが挙げられる。出力密度と安全性の高い負極材料は、ハイブリッド電気自動車やその他の分野で広く使用されるでしょう。中長期的には、シリコンベースのアノード材料が他のアノード材料に全面的に置き換わるでしょう。

シリコンベースの負極材料は、リチウム電池のエネルギー密度を向上させるための最良の選択肢の 1 つであると考えられています。理論上の比容量は 4000 mAh/g 以上に達することがあります。高容量の正極材料と組み合わせた後、単一電池の理論上の比エネルギーは 843 Wh/kg に達します。ただし、シリコン負極材料の充電および放電プロセスでは、大きな体積の膨張と収縮の影響が生じます。電極の粉化につながり、一次クーロン効率が低下し、容量低下の原因となります。

研究者はこの問題を解決するために多くの方法を試みてきました。

(1) ナノシリコン粒子、ナノワイヤ/チューブ、ナノフィルム/シートなどのナノ構造材料は、体積変化が比較的小さく、イオン拡散経路が小さく、インターカレーション/リチウム特性が高くなります。

（２）シリコン材料に他の金属または非金属を導入して複合材料を形成し、シリコンの体積変化を緩衝することができる。一般的な複合材料には、シリコン-炭素複合材料、シリコン-金属複合材料などが含まれます。卵黄殻構造を有するケイ素-炭素複合体が得られた。カーボンシェルとシリコンコアの間の空隙が材料の安定性と電気化学的特性に及ぼす影響を、その場透過型電子顕微鏡で研究しました。卵黄の殻の構造はシリコンと炭素層の間に十分な空間を確保しているため、リチウムが挿入されて膨張してもシリコンは外層を破壊しませんでした。これを基にカーボン被覆ナノ粒子を二次造粒することにより、大きな粒子の表面にカーボン膜を被覆します。最後に、エッチングによってザクロのような構造が作成されます。複合材料のサイズが大きくなると、材料の比表面積が減少し、材料の安定性が向上します。定性的には、この材料の 1000 サイクル容量維持率は 74% から 97% に増加しました。

(3) 接着効果を向上させるために、異なる柔軟性と界面特性を持つバインダーを選択します。最近、チョイら。らは、ポリアクリル酸 PAA とポリロタキサン環成分 PR をエステル結合を形成して架橋することにより、特殊な構造を有する二成分系 PR-PAA バインダーを得ました。シリコン負極の充放電プロセスの安定性が大幅に向上しました。

（４）多孔質シリコン材料等の体積変化が比較的緩やかなアモルファスシリコン材料を用いる。応用分野では、日立マクセルは、シリコンベースの負極材料を高エネルギー密度の小型電池に適用することに成功したと発表した。日本GS唐韶会社はシリコンベースの負極材料リチウム電池を導入し、三菱自動車への適用に成功した。テスラは、人造黒鉛にシリコンベースの材料を10％添加し、最新のモデル3に搭載したと主張した。シリコンと炭素の複合材料は、動力電池の負極材料として使用されている。

3.3 電解質

リチウムイオン電池の電解液には、高い安全性と環境適応性が基本要件となります。電極材料の継続的な改良と更新に伴い、適合する電解質に対する要件はますます高くなっています。新しい電解質系の開発は非常に難しいため、カーボネート系有機溶媒は従来の六フッ化リン酸リチウム電解質と互換性があります。このシステムは、今後かなり長い間、電源バッテリーの主流の選択肢であり続けるでしょう。

この場合、溶媒比率を最適化し、異なる特性を持つさまざまな電源電池や電極材料に合わせて機能性電解質添加剤を開発することが特に重要です。たとえば、動力電池の高温および低温性能は、溶媒比率の含有量を調整し、特殊なリチウム塩を添加することによって改善できます。過充電添加剤や難燃剤を添加することができます。添加剤は、過充電、短絡、高温、針刺し、および熱衝撃条件下でのバッテリーの安全性を大幅に向上させることができます。溶媒を精製し、ポジ型フィルム形成添加剤を添加することにより、高電圧材料の充電および放電要件をある程度満たすことができます。 SEI膜形成添加剤を添加することにより、SEI膜の組成と構造を制御できます。近年、キムらによってブタジエンニトリル (SN) を電解質添加剤として使用することに初めて成功しました。黒鉛/LiCoO_2電池の熱安定性を改善するために、ブタジエンニトリル(SN)やアジポニトリル(ADN)に代表されるニトリル添加剤は、カソード表面上の金属原子との強い錯形成力のため、十分に抑制することができる。電解質の酸化分解と遷移金属の浸出の利点は、高電圧添加剤の一種として学界や産業界で広く認識されています。別の種類の高電圧添加剤、つまり 1,3-プロパンスルホン酸ラクトン (PS) や 1,3-プロピレンスルホン酸ラクトン (PES) に代表される正極皮膜形成添加剤は、正極の表面に酸素を優先的に生成します。正極表面には緻密な不動態皮膜が形成され、電解液と正極活物質との接触を防ぎ、高電圧下での電解液の酸化分解を抑制します。

現在、高温および低温機能性電解質の開発は比較的成熟しており、パワーバッテリーの環境適応性は基本的に解決されています。電池のエネルギー密度と安全性のさらなる向上は、電解質開発における主要な課題です。中長期的には、リチウムイオンパワーバッテリー用の電解質材料の開発動向は主に新しい溶媒と新しいリチウム塩に焦点が当てられるでしょう。イオン液体や添加剤としては、ゲル電解質や固体電解質も今後の開発の方向性となります。固体電解質の重要な特徴の一つである全固体電池は、安全性、寿命、エネルギー密度、システム統合技術の面で潜在的に優れた特性を有しており、将来の動力電池や電池の開発における重要な展示の方向性でもあります。エネルギー貯蔵電池。

3.4 ダイヤフラム

現在、市販のリチウムイオン電池で使用されている主な隔膜材料は、ポリエチレン (PE) やポリプロピレン (PP) の単層または多層複合膜などのポリオレフィン微多孔膜です。ポリオレフィン製ダイヤフラム材料には、成熟した製造プロセス、高い化学的安定性、および長期間にわたる高い加工性という利点があります。市販のダイヤフラム材料は依然として内部が主流であり、特にPEの熱閉止温度は副反応を抑制し、電池の熱暴走を防ぐ上で非常に重要です。ポリオレフィン（特にポリエチレン）ダイヤフラムをベースとした高性能改質ダイヤフラム材料（無機セラミック改質ダイヤフラム、ポリマー改質ダイヤフラムなど）のさらなる開発 ダイヤフラムの安全性および電気化学的特性の改善は、引き続きダイヤフラム材料の研究開発の焦点となる。

最近,市販のPEダイヤフラムの単層表面に高温耐性ポリイミドをバインダーとしてナノAl_2O_3をコーティングすることにより,ダイヤフラムの熱安定性が160℃まで改善された。同グループは、以前に開発したSiO_2セラミックダイヤフラムに基づいて、その表面と細孔サイズの間のその場重合によって高温耐性ポリマーでダイヤフラムをコーティングした。バタミン保護層は、ダイアフラムが収縮しないだけでなく、230℃で30分間処理した後も良好な機械的特性を維持し、バッテリーの安全性を効果的に保証します。耐熱性ポリエーテルイミド樹脂を基材として得られたポリエーテルイミド振動板をNMPで加熱溶解し、リキャストしてフィルム化する。電気自動車やその他の分野でのリチウムイオン電池の応用に伴い、隔膜の構造、隔膜の開口サイズ、分布の効果的な制御方法を確立し、ポリオレフィンを製造するための電気化学的活性基を導入することは、ポリオレフィン隔膜の開発の重要な方向性となるでしょう。ダイアフラムは多機能です。そして工業化も強力に推進されるだろう。

要約すると、正極材料は高電圧および高容量に向けて開発されるでしょう。負極材料は主にシリコン・炭素複合材料を開発し、新しいバインダーとSEI膜制御技術の開発を通じてシリコン・炭素複合正極材料を真に実用化する。電解液は近い将来完成する予定です。今後は高電圧電解質や環境適合性の高い電解質材料の開発が主な目標となるが、中長期的には固体電解質材料の開発が目標となる。複数の材料を組み合わせた制御可能なセパレータ材料は、リチウムイオン電池セパレータの開発の重要な方向性となります。

4. リチウムイオン電池の主要技術と基礎科学的問題

4.1 リチウムイオン電池のキーテクノロジー

リチウムイオン電池は複雑なシステムであるため、単一のコンポーネント、材料、コンポーネントの最適化は、電池の全体的な性能の向上に顕著な効果を及ぼさない場合があります。高比エネルギー、低コスト、長寿命、安全性の高い電気自動車用動力電池を開発するには、リチウムイオン動力電池システムの主要技術に焦点を当てる必要があります。注: パフォーマンスの制約は、最終的なアプリケーション プロセスで解決してください。

4.1.1 正極材料と負極材料の選択とマッチング技術

リチウムイオン電池の寿命、安全性、コストなどの基本性能は、電極材料系の選択とマッチングに大きく依存します。したがって、高比エネルギー、長寿命、高安全性、低コストの材料系をいかに選択するかがリチウムイオン電池の重要な技術となる。

4.1.2 電源バッテリーの安全性

安全性は、車両に動力電池を使用するための前提条件です。リチウムイオン電池のエネルギー密度が徐々に向上するにつれて、電池の安全性の問題がさらに顕著になることは間違いありません。リチウムイオン電池の安全事故の基本的な原因は熱暴走であり、放熱副反応により大量の熱と有機低分子ガスが放出され、電気が発生します。セル内の温度と圧力が急激に上昇すると、副反応が指数関数的に加速し、より多くの熱が発生し、バッテリーが制御不能な熱暴走状態に陥り、最終的にはバッテリーの爆発や燃焼につながります。高比エネルギー NCM および NCA 三元カソード、マンガンベースのソリッドメルトカソードは、LFP 材料よりも安定しています。性能が低いため、人々は高エネルギー密度のパワーバッテリーを開発する際に安全性の問題にさらに注意を払うようになります。バッテリーの安全性の問題を解決するには、少なくとも 2 つの側面が必要です。(1) バッテリーの熱暴走の可能性を減らすために短絡と過充電を防止する。 (2) 電池の熱暴走を防ぐ高感度熱制御技術の開発。

4.1.3 電池の製造工程

パワーバッテリーの応用が深まるにつれて、単一バッテリーは大規模でグループ化しやすい方向に発展しています。その際、特に重要となるのが単電池の製造技術です。製品の一貫性を向上させ、グループ化後の電池の安全性と寿命を高め、製造コストを下げることが、将来のリチウムイオン電池メーカーになります。技術開発の方向性としては、(1)生産設備の効率的な自動化技術の開発、高速連続スラリー混合、コーティング、ロールスライス、巻き取り・ラミネート等の技術を開発し、生産コストを削減すること。 （2）自動測定および閉ループ制御技術を開発し、電池生産プロセスの測定技術レベルを向上させ、プロセス全体でのリアルタイムの動的品質検出を実現します。プロセスおよびライン全体で閉ループの品質管理を実現し、製品の一貫性と信頼性を確保する。 (3) 工程間の材料の自動搬送を実現し、人手介入を削減する自動物流技術の開発を確立する。 (4) 情報制御、通信、マルチメディア等の技術を活用し、効率的な生産を実現するインテリジェントな生産管理技術を開発する。プロセス自動化制御と製造実行システムは、生産効率を最大化し、人件費を削減します。

4.2 リチウムイオン電池の基本的な科学的問題

4.2.1 電極の反応プロセス、反応速度論、界面制御などの基礎的な科学的問題を学習します。

現在、材料の改質には元素ドーピングやコーティング法が広く使われていますが、その理由は「知っているかどうか」にあることが多いです。たとえば、LFP は異価リチウムのドーピングによって電子伝導性を大幅に向上させることができますが、それが格子ドーピングなのか表面浸透なのかについては依然として議論の余地があります。さらに、LFP は電子伝導性が低いと一般に考えられています。電気特性とイオン拡散特性がレート特性の低下の主な原因ですが、電極/電解質界面でのリチウムイオンの輸送もLFPのレート特性に影響を与える重要な要素であることが研究によって示されています。界面でのイオン輸送特性を改善することで、より良好なレート特性が得られます。したがって、電極上の表面電気化学反応の詳細な研究を実行できます。対応するメカニズム、特にSEI膜の形成と特性、および電極と電解質の間の相互作用は、材料の構造進化メカニズムと性能向上戦略を明らかにし、材料と電池の性能を向上させるための理論的指針を提供することができます。

4.2.2 電極表面界面のその場特性評価の開発

リチウムイオン電池の電極材料の性能は、主にその組成と構造によって決まります。電極材料の反応機構を理解し、材料の組成と構造を最適化して性能を向上させ、開発と応用を導くためには、その場特性評価技術によって材料の組成、構造、性能、構造活性の関係を研究することが非常に重要です。高性能新素材を採用。意義。例えば、その場ラマン分光法では、格子振動による材料の構造変化（金属酸素配位構造など）をリアルタイムで検出でき、材料構造劣化の原因解明に役立ちます。放射光技術では、電極材料中の原子の周囲の化学環境を研究することで、電極材料中の構成元素の酸化状態や局所性を知ることができるだけではありません。電極材料の構造の進化、遷移金属イオンの酸化状態、電池の充放電中の局所構造の変化など、ドメイン構造や近接配位原子の情報もその場で取得でき、正確に明らかにすることができます。バッテリーの反応メカニズム。固体核磁気共鳴分光法 (NMR) は、固体材料の局所構造情報を提供し、イオン拡散相のダイナミクス情報を取得できます。

5. 結論

リチウムイオン電池は現在最も実用的な電池です。近年、工業化の急速な発展が電気自動車産業の発展を強力に支援しています。しかし、特にリチウムイオン電池の耐久性、安全性、環境適応性、コストなど、解決すべき応用問題はまだ多くあります。近年、関連技術が大きく進歩し、大規模な応用が実現することが予想されます。電気自動車の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池は爆発的な成長の黄金期を迎えることになります。