固体電池とその長所と短所

神奈川県
2022年
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固体電池とは何ですか?

固体電池は、現在主流のリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池とは異なり、液体電解質ではなく固体電極と固体電解質を使用する電池技術の一種です。

固体電池は、業界では次世代のパワー電池ソリューションの 1 つと考えられています。この技術では、従来のリチウム電池の電解質の代わりに、導電性材料としてリチウムまたはナトリウムベースのガラス化合物を使用し、電池のエネルギー密度と安全性を大幅に向上させます。固体イオン電池では、固体電池は固体電極と固体電解質を使用する電池です。固体電池は一般に、電力密度は低くなりますが、エネルギー密度は高くなります。電力対重量比が高いため、固体電池は耐久性が高く、電気自動車の理想的な電源となります。

科学界は、リチウムイオン電池の性能はほぼ限界に達しており、これ以上の改善の余地はほとんどないと考えています。長い耐久性と高い安全性を備えた電気自動車に対する消費者市場の需要を満たすために、固体電池技術ルートは近年、最良の動力電池ソリューションの 1 つと見なされています。

固体電池の原理

従来の液体リチウム電池は、科学者によってはっきりと「ロッキングチェア電池」と呼ばれており、ロッキングチェアの両端が電池の正極と負極を表し、中央の電解質（液体）が優れたアスリートのように機能します。ロッキングチェアの両端の間を往復し、リチウムイオンが正極から負極に移動し、再び正極に戻ることで、電池ーの充放電プロセスが完了します。

固体電池の原理は同じですが、固体電解質の密度と構造により、一端により多くの荷電イオンが集まり、その結果、電池の容量が増加します。固体電池は同じ電気量でも小型化でき、さらに固体電池には液体電解質が含まれていないため密閉が容易で、車両などの大型機器に使用する場合、追加の冷却パイプや電子機器を追加する必要がありません。これにより、コストが節約されるだけでなく、重量も効果的に軽減されます。

固体電池のメリット
高いエネルギー密度
固体電解質の使用後は、リチウムイオン電池に適用できる材料システムも変わります。重要な点は、リチウムを埋め込んだグラファイト負極を使用する必要がなく、代わりに金属リチウムを負極として使用できることです。使用されるアノード材料の量を大幅に削減でき、その結果、電池ーのエネルギー密度が顕著に増加します。

電池ー容量が小さい

従来のリチウムイオン電池では隔膜と電解質が必要で、これらを合わせて固体電解質（主に有機および無機セラミック材料系で構成される）に置き換えると、電池の体積のほぼ40％、質量の25％を占めます。正極と負極（従来は隔膜と電解質で充填されていましたが、現在は固体電解質で充填されています）間の距離をわずか数マイクロメートルから数十マイクロメートルまで短縮することができ、これにより電池の厚さが大幅に減少し、固体電池が形成されます。電池の小型化・薄型化には欠かせない技術です。

高い柔軟性
脆いセラミック材料であっても、厚さがミリメートルレベル以下になると柔軟性が得られます。また、適切なパッケージ材料（硬いシェルは使用できません）を使用することで、固体電池の柔軟性も大幅に向上します。電池ーは、性能を大幅に低下させることなく、数百から数千回の曲げサイクルに耐えることができます。

高い安全性

従来のリチウム電池は次の危険に直面する可能性があります。

(1) 高電流動作下ではリチウム樹枝状結晶が形成され、ダイアフラムを貫通して短絡や損傷を引き起こす可能性があります。

(2) 電解質は有機液体であり、高温になると副反応、酸化分解、ガス発生、発火が起こりやすくなります。固体電池技術を採用することで、これら2つの問題を直接解決できます。

固体電池の欠点または現在の技術的課題

固体電池は生産効率が低く、まだ量産できるレベルに達していないため、電池の製造コストが高く、有効な電解質材料システムが不足しています。しかし、包括的な用途は比較的不足しています。固体リチウムイオン導体は固体電池のコア材料として、単一の指標では画期的な進歩を遂げていますが、全体的な性能は依然として大規模なエネルギー貯蔵のニーズを満たすことができません。

業界では現在、固体電池の実用化が短期間に実現する可能性は低いと考えられており、現在の研究開発投資や技術開発の水準からすると、実用化の段階に達するには少なくとも3～5年はかかるだろう。固体電池の実用化には、電池材料、生産設備、製造プロセスの総合的な開発が必要です。