未来に電力を供給できる 3 つのバッテリー技術

世界は、できればクリーンで再生可能な形で、より多くの電力を必要としています。現在、当社のエネルギー貯蔵戦略は、最先端の技術であるリチウムイオン電池によって形作られていますが、今後数年間に何が期待できるのでしょうか?

まずはバッテリーの基本から始めましょう。バッテリーは 1 つ以上のセルのパックであり、各セルは正極 (カソード)、負極 (アノード)、セパレーター、および電解質を備えています。これらにさまざまな化学物質や材料を使用すると、バッテリーの特性、つまりバッテリーがどれだけのエネルギーを蓄えて出力できるか、どれだけの電力を供給できるか、または放電および再充電できる回数 (サイクル容量とも呼ばれます) に影響します。

電池会社は、より安く、より高密度で、より軽く、より強力な化学物質を見つけるために常に実験を行っています。サフト研究ディレクターのパトリック・バーナード氏に、変革の可能性を秘めた 3 つの新しいバッテリー技術について説明してもらいました。

新世代のリチウムイオン電池

それは何ですか？

リチウムイオン (li-ion) バッテリーでは、電解質を介して正極から負極にリチウムイオンが前後に移動することによって、エネルギーの貯蔵と放出が行われます。この技術では、正極が初期リチウム源として機能し、負極がリチウムのホストとして機能します。正負の活物質の完璧に近い数十年にわたる選択と最適化の結果として、いくつかの化学的性質がリチウムイオン電池の名の下に集められています。リチウム化金属酸化物またはリン酸塩は、現在の正極材料として使用される最も一般的な材料です。負極材料としては、グラファイトだけでなく、グラファイト/シリコンまたはリチウム化チタン酸化物も使用されます。

実際の材料とセル設計では、リチウムイオン技術は今後数年間でエネルギー限界に達すると予想されます。それにもかかわらず、破壊的活性物質の新しいファミリーがごく最近発見されたことで、現在の限界が解き放たれるはずです。これらの革新的な化合物は、正極と負極により多くのリチウムを貯蔵することができ、初めてエネルギーと電力を組み合わせることが可能になります。さらに、これらの新しい化合物では、原材料の希少性と重要性も考慮されています。

その利点は何ですか?

現在、最先端のストレージ技術の中でも、リチウムイオン電池技術は最高レベルのエネルギー密度を可能にしています。急速充電や動作温度範囲 (-50°C ～ 125°C) などの性能は、セルの設計や化学的性質を幅広く選択することで微調整できます。さらに、リチウムイオン電池は、自己放電が非常に少なく、寿命が非常に長く、サイクル性能 (通常は数千回の充電/放電サイクル) などの追加の利点を示します。

いつ頃それが期待できますか?

新世代の高度なリチウムイオン電池は、第 1 世代の全固体電池よりも先に導入されることが期待されています。これらは、エネルギー貯蔵システムなどのアプリケーションでの使用に最適です。再生可能エネルギーおよび交通機関（マリン、鉄道、航空高エネルギー、高出力、安全性が必須の場所です。

リチウム硫黄電池

それは何ですか？

リチウムイオン電池では、充電および放電中に安定したホスト構造として機能する活物質にリチウムイオンが蓄えられます。リチウム硫黄 (Li-S) バッテリーにはホスト構造がありません。放電中にリチウムアノードが消費され、硫黄がさまざまな化合物に変換されます。充電中は逆のプロセスが行われます。

その利点は何ですか?

Li-S バッテリーは、正極に硫黄、負極に金属リチウムという非常に軽い活物質を使用します。これが、理論上のエネルギー密度が非常に高く、リチウムイオンの 4 倍である理由です。そのため、航空産業や宇宙産業に適しています。

サフトは、固体電解質をベースとした最も有望な Li-S 技術を選択し、支持しました。この技術的手法は、非常に高いエネルギー密度と長寿命をもたらし、液体ベースの Li-S の主な欠点 (限られた寿命、高い自己放電など) を克服します。

さらに、この技術は、その優れた重量エネルギー密度 (Wh/kg で +30%) のおかげで、固体リチウムイオンを補完します。

いつ頃それが期待できますか?

主要な技術障壁はすでに克服されており、成熟度はフルスケールのプロトタイプに向けて非常に急速に進んでいます。

長いバッテリー寿命を必要とする用途では、この技術は固体リチウムイオンの直後に市場に投入されると予想されます。

全固体電池

それは何ですか？

全固体電池は技術のパラダイムシフトを表します。最新のリチウムイオン電池では、イオンは液体電解質 (イオン伝導性とも呼ばれます) を通って一方の電極からもう一方の電極に移動します。全固体電池では、液体電解質が固体化合物に置き換えられていますが、それでもリチウムイオンが電解質内を移動できます。この概念は決して新しいものではありませんが、過去 10 年間に世界規模での集中的な研究のおかげで、液体電解質と同様に非常に高いイオン伝導率を備えた新しい種類の固体電解質が発見され、この特定の技術的障壁を克服できるようになりました。

今日、サフト研究開発の取り組みは、加工性、安定性、導電性などの物理化学的特性の相乗効果を目的として、ポリマーと無機化合物の 2 つの主要な材料タイプに焦点を当てています。

その利点は何ですか?

最初の大きな利点は、セルおよびバッテリーレベルでの安全性の顕著な向上です。固体電解質は、液体の電解質とは異なり、加熱されても不燃性です。第 2 に、革新的な高電圧、高容量の材料の使用が可能になり、自己放電の減少により、より高密度で軽量な電池の保存寿命が向上します。さらに、システム レベルでは、機構の簡素化や熱および安全管理などの追加の利点がもたらされます。

このバッテリーは高い出力重量比を示すことができるため、電気自動車での使用に最適と考えられます。

いつ頃それが期待できますか?

技術の進歩に伴い、数種類の全固体電池が市場に投入される可能性があります。1つ目はグラファイトベースの負極を備えた全固体電池で、エネルギー性能と安全性が向上します。やがて、金属リチウムアノードを使用した軽量の固体電池技術が市販されるようになるはずです。