固體電池の紹介

電池の中では、正イオンがイオン導(dǎo)電體を介して負(fù)極と正極の間を移動(dòng)し、電子を送り出すことで電流が発生します。 従來の電池（例：リチウムイオン電池）では、イオン伝導(dǎo)體は可燃性の高い液體有機(jī)化合物であり、これは大きな欠點(diǎn)である。 液體導(dǎo)體に代わる高性能な固體導(dǎo)體を求めて、さまざまな研究開発プロセスでさまざまな化合物が合成された。 研究者たちは、従來のリチウムイオン伝導(dǎo)體の性能を上回る固體イオン伝導(dǎo)體を発見しました。 ex:LGPS硫化物固體電解質(zhì)（LGPS：リチウム、ゲルマニウム、リン、イオウ）。

ソリッドステートバッテリーとは何ですか？ それは、より高い安全性、より高いエネルギー密度、そして費(fèi)用対効果の可能性が高い技術(shù)アプローチです。 家電製品や電気自動(dòng)車などの電池技術(shù)の未來を擔(dān)うのが固體電池です。 リチウムイオン電池を構(gòu)成する正極、負(fù)極、セパレータ、電解液。 この電解液は、スマートフォンや電動(dòng)工具、電気自動(dòng)車などに応用されている液狀電池（リチウムイオン電池）に使用されています。 一方、固體電池は、従來の電池のように液體の電解質(zhì)ではなく、固體の電解質(zhì)を使用します。

電池の電解液は、負(fù)極と正極の間に電流を流すための導(dǎo)電性の化學(xué)物質(zhì)です。 セパレーターは、ショートを避けるためのものです。 固體電池は、他の電池と同じように、陽極、陰極、電解質(zhì)を持つ電気化學(xué)セルです。 鉛蓄電池とは異なり、電極や電解液は固體です。

市販されているリチウムイオン電池は、正極と負(fù)極を電解質(zhì)液で分離したセパレーターを備えています。 一方、固體電池は、液體の電解質(zhì)溶液ではなく、固體の電解質(zhì)を使用しており、固體の電解質(zhì)がセパレーターの役割も果たしている。 これらの電池は、固體電気自動(dòng)車用電池の大容量化に不可欠であり、強(qiáng)く求められています。 これらは可燃性であり、爆発する可能性はごくわずかです。 固體電池の例として、リン酸リチウムガラスがあります。 この電池は、エネルギー密度が高いのが特徴です。

固體電池のエネルギー容量は、液體電解質(zhì)溶液を用いたリチウムイオン電池よりも大きくなります。 爆発や火災(zāi)の可能性がないため、安全部品が必要なく、省スペース化にも貢獻(xiàn)しています。 リチウムイオン電池に比べて2倍のエネルギーを詰め込むことができ、パワーもアップしています。 固體電池は數(shù)個(gè)の電池で済むため、単位面積當(dāng)たりのエネルギー密度を高めることができます。

固體電池技術(shù)

SSBでは主に以下のような特徴があります。

より高いエネルギー密度。

· 低コスト：安価な材料と費(fèi)用対効果の高いプロセスの使用、および高いエネルギー密度によるもの。

· より高い安全性：過充電への耐性、深充電への耐性

· 希少な材料への依存度の低下：地理的依存度の低下、リチウムやコバルトなどの材料への代替。

· 低環(huán)境負(fù)荷：有害物質(zhì)、重金屬、危険な化學(xué)物質(zhì)を含まず、環(huán)境に配慮した生産、廃棄やリサイクルが容易な素材。

· その他：ディープディスチャージ機(jī)能、ファーストチャージ機(jī)能、ディスチャージ機(jī)能。

固體電解質(zhì)は、固體電池の重要な構(gòu)成要素です。 固體電解質(zhì)材料には大きく分けて3種類あります。

無機(jī)材料： 無機(jī)結(jié)晶材料、無機(jī)非晶質(zhì)材料。 無機(jī)電解質(zhì)は、弾性率が高く、熱的?化學(xué)的安定性が高く、電気化學(xué)的窓が大きく、イオン伝導(dǎo)性が高く、電子伝導(dǎo)性が低いため、過酷な環(huán)境下で動(dòng)作可能な剛性の高い電池設(shè)計(jì)に適しています。

固體ポリマー：例：ポリエチレンオキシド 高分子電解質(zhì)は、無機(jī)固體電解質(zhì)に比べてイオン伝導(dǎo)性が低いものの、多様な形狀と高い柔軟性を持ち、低コストで製造工程を簡(jiǎn)略化できるという特徴があります。 電池セルを統(tǒng)合する際、固體ポリマー電解質(zhì)は効果的な電極-電解質(zhì)リンクを容易に作り出すことができ、これにより電池の電気化學(xué)的安定性とサイクル壽命を向上させることができる。 従來のリチウムイオン電池では、液體の電解質(zhì)が使用されており、一般的に電極とよく接觸しています。

電極の表面にはテクスチャーが施されており、液體をスポンジのように吸収し、接觸面積が大きくなります。 理論的には、2つの固體がシームレスにつながることはありません。 そのため、電極と電解液の間の抵抗が大きくなります。 この固體電解質(zhì)は、両面にスクリーン印刷されたリン酸塩電極の安定したキャリア媒體として機(jī)能します。 この新しい固體電池は、従來のリチウムイオン電池とは異なり、毒物や有害物質(zhì)を一切使用していません。

無機(jī)材料と高分子材料を組み合わせることで、両者の長(zhǎng)所を活かしています。 これらの電解質(zhì)は、高いイオン伝導(dǎo)性を示し、比較的柔軟性があります。

固體電解質(zhì)の機(jī)械的?電気的?化學(xué)的特性や、負(fù)極?正極の電極との界面?相互作用は、固體電池の効率に大きく影響します。

固體電池の基本事項(xiàng)を、3つの本質(zhì)的な現(xiàn)象を中心に解説します。

(i) 先進(jìn)的なイオン伝導(dǎo)體の製造原理。

(ii)化學(xué)的に不安定な電解質(zhì)?電極界面での構(gòu)造進(jìn)行、および

(iii) 電極や電解質(zhì)の構(gòu)造を含む、固體電池の処理の意味。 固體電解質(zhì)（SSE）は、安全性の問題を解決するだけでなく、金屬負(fù)極の使用や高電圧動(dòng)作を可能にします。

固體電解質(zhì)は熱安定性が非常に高いため、固體電池（SSB）は次世代電池の最適なソリューションの一つです。 さらに、無機(jī)固體電解質(zhì)は、有機(jī)電解質(zhì)が凍結(jié)?沸騰?分解してしまうような、50～200℃あるいはそれ以上の極端な溫度でも機(jī)能する可能性があります。

全固體電解質(zhì)を用いて期待通りの電気化學(xué)的出力を得るためには、4つのユニークな特徴が考えられます。 これらの特徴は以下の通りです。

( i )高いイオン伝導(dǎo)性（+Li> 104 S/cm）。

(ii) 十分な機(jī)械的強(qiáng)度があり、リチウムデンドライトの侵入を防ぐための構(gòu)造的欠陥が少ないこと。

(iii) 低コストの原材料と容易な準(zhǔn)備プロセス。

(iv）リチウムイオン拡散の活性化エネルギーが低いこと。

ソリッドステートバッテリーの利點(diǎn)

· シンプルな構(gòu)造：固體電解質(zhì)がセパレーターの役割を果たし、陽極と陰極の接觸を防ぐことで、エネルギー密度が高くなり、セパレーターのコストがかからない。

· 高電圧：固體電解質(zhì)の分解率が高いため、エネルギー密度が高い。

· 不燃性の固體電解質(zhì)。

· 電解液には難燃性があります。

· 電解液が漏れる心配がありません。

· より高い動(dòng)作溫度での使用が可能となり、動(dòng)作溫度範(fàn)囲が広がります。

· 1つのパッケージでセルのスタッキングが可能。

· シンプルなセル構(gòu)造とシンプルな製造コストにより、固體電池はコストパフォーマンスに優(yōu)れています。

· 固體電池の充電速度は、液體電池の6倍。

· 固體電池の壽命は10年にも及びます。

 

ソリッドステートバッテリーのデメリット

· デンドライトは、コストを除けば、固體電池の最も深刻な問題です。 デンドライトは、リチウム金屬の結(jié)晶化で、負(fù)極から始まり、電池全體に広がることがあります。 これは、大電流の充放電により、固體電解質(zhì)中のイオンが電子と結(jié)合して固體のリチウム金屬のシートを作るために起こります。

· この電池は非常に高価であるため、家電製品や電気自動(dòng)車にはあまり使用されていません。 固體電池の場(chǎng)合は、以下のような理由で速度が遅くなります。

· 低いイオン伝導(dǎo)度

· 高い界面抵抗

· 界面の接觸不良

固體電池の仕組みは？

前述したように、固體電池は固體の正極材と負(fù)極材を備えた固體電解質(zhì)膜を使用します。 充放電の際には、溶液中に溶解したイオン塩ではなく、イオン導(dǎo)電性の固體マトリックスにイオンが移動(dòng)し、充放電反応が起こります。 酸化還元反応を利用してエネルギーを蓄積?分配するのが固體電池。 陽極は酸化、陰極は還元され、電池はこの現(xiàn)象を利用して、必要に応じてエネルギーを蓄えたり（充電）、放出したりすることができる。

放電中、イオンは電池の材料間で「酸化還元」と呼ばれる化學(xué)反応を起こし、陽極では酸化されて自由電子を持つ化合物ができて電気エネルギーが供給され、陰極では還元されて電子を得る化合物ができて電力が維持される。 バッテリーが充電されると、その仕組みが逆転します。 プラスに帯電したイオンは、固體電池を放電する際に、負(fù)極（アノード）から正極（カソード）へと電解液を通過する。 これにより、正極にプラスの電荷が発生し、負(fù)極から電子を吸収します。

しかし、電子は電解質(zhì)を通過することができないため、回路を経由してモーターなどに電力を供給する必要があります。 充電の過程では、イオンが陽極に移動(dòng)して電荷を蓄積し、回路を通じて陰極から電子を吸収します。 マイナス電極にイオンが流れなくなると、完全に充電されたと判斷されます。 固體電池は、サイクル中に高い導(dǎo)電性を維持するために、層內(nèi)にさまざまな添加剤やバインダーを必要とします。 また、充電や放電の際には、材料を圧力で保持して接觸を維持する必要があります。 充放電に伴う素材の膨張?収縮は、しっかりとしたタッチを維持することを困難にします。

膨張?収縮により経時(shí)的に結(jié)合が弱くなると、セルのサイクル壽命や出力が損なわれる可能性があります。 また、固體電池は、リチウムイオン電池に比べて、セルを1つ1つ取り付けるパックレベルでの作業(yè)が簡(jiǎn)素化されます。 固體電池は、溫度が上がれば効率が上がるため、熱対策はあまり必要ありません。

固體電解質(zhì)のイオン伝導(dǎo)度は、溫度が上がると全體の充放電速度が上がります。 その結(jié)果、固體電池の究極の動(dòng)作溫度は、リチウムの融點(diǎn)である180℃に制限されるだけです。 さらに、可燃性のリチウムイオン液體電解質(zhì)を使用していないため、セルやパックの致命的な故障に対する設(shè)計(jì)上の懸念もありません。 リチウム金屬系固體電池は、一般的なリチウムイオン電池に使用されている黒鉛負(fù)極がリチウムに比べて低電位（0.20V）であるため、同等の電圧?性能でより大きな體積エネルギー密度を得ることができるため、リチウムイオン電池の代替として使用することができます。

ソリッドステートのバッテリーはありますか？

ペースメーカー、RFID、攜帯機(jī)器などには固體電池が使われています。 これらの電池の一部は、宇宙用に利用されています。 EV/HEV自動(dòng)車市場(chǎng)における固體電池の事業(yè)化アプローチ。 固體電池を?qū)g現(xiàn)するためには、単に適切な固體電解質(zhì)を開発するだけでなく、以下のような特徴を考慮する必要があります。

· 素材の供給と販売の確保

· セルとパックの製造裝置と開発

長(zhǎng)年の開発にもかかわらず、多くのプレイヤーが固體電池を市場(chǎng)に出すことに成功していない。 室溫では、イオン性電解質(zhì)は液體電解質(zhì)よりも數(shù)桁低いのが一般的です。 これは、固體電池の実用化に向けた大きなハードルの一つです。 固體電池のコンセプトは何十年も前からありましたが、エレクトロニクス企業(yè)や自動(dòng)車メーカー、一般産業(yè)界からの投資により、ようやく進(jìn)展してきました。

なぜ固體電池が良いのか？

固體電池は、液體のものに比べて、電池壽命が長(zhǎng)く、充電時(shí)間が短く、スムーズに使用できるなどのメリットがあります。 固體電池は、液體の電解質(zhì)の中に電極を浮遊させるのではなく、負(fù)極、正極、電解質(zhì)を3つの平らな層に圧縮しています。 その結(jié)果、大型の溶媒電池と同等のエネルギーを持ちながら、小型化、あるいは強(qiáng)調(diào)化が可能になりました。

そのため、攜帯電話やノートパソコンのリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池に、同じ容量の固體電池を搭載すると、より長(zhǎng)持ちするようになります。 同じ量の電荷を持ちながら、はるかに小さくて薄いシステムが作られます。 固體電池は、電流機(jī)器や電気自動(dòng)車の電源として使用すると、正極から負(fù)極へのイオンの移動(dòng)速度が速くなるため、充電時(shí)間が大幅に短縮されます。 固體電池は、さまざまな二次電池と比較して、容量では500％以上、充電時(shí)間では10分の1程度の差があります。 固體電池は環(huán)境への負(fù)荷が少ない。

固體薄膜電池は、従來の電池に比べて環(huán)境負(fù)荷が少ない。 固體電池は性能やエネルギー密度が高いため、リチウムイオン電池のような冷卻や制御のための部品が不要となり、全體のサイズが小さくなり、機(jī)器の自由度が高まり、軽量化も実現(xiàn)します。

固體電池は、電解液中の化學(xué)物質(zhì)による電極の腐食や、電池壽命を短くする電解液中の固體層の蓄積に強(qiáng)いため、リチウムイオン電池よりも多くの放電?充電サイクルに対応できます。 固體電池は、リチウムイオン電池に比べて最大7倍の充電が可能で、リチウムイオン電池の數(shù)年の壽命を10年に延ばすことができます。 教育機(jī)関や電池メーカー、材料の専門家などが、固體電池を次世代の電源として普及させるための研究を行っています。

固體電池は充電が早い？

固體電解質(zhì)の中には、イオン伝導(dǎo)度が5mS/cmを超え、単一イオン伝導(dǎo)體となるものがある。 大電流では、固體電解質(zhì)に分極抵抗が蓄積するのを防ぎます。 その結(jié)果、高速充電が可能になる可能性があります。 固體電池は、リチウムイオン電池の可燃性の液體電解質(zhì)の代わりに、ポリマーやセラミック化合物などの固體材料を使用します。 従來の黒鉛やシリコン製の負(fù)極に代わって、リチウム金屬製の負(fù)極が登場(chǎng)した。 この固體リチウム金屬電池の開発は、エネルギー密度を2倍にし、充電時(shí)間を大幅に短縮できる可能性があります。

固體電池はどのようにして作られるのですか？

固體電池では、正極と、従來のリチウムイオン電池に見られる多孔質(zhì)ポリマーセパレーターに代わる固體セラミックセパレーターとが電気的に接觸している正極の2つの層だけで構(gòu)成されています。 全ての固體電解質(zhì)は、超イオン伝導(dǎo)體と最適化された界面に依存する。

優(yōu)れた固體電解質(zhì)を開発するための課題は、正電極、イオン、電子を同時(shí)に輸送しなければならない界面、三重相の境界を克服することであり、そのためには非常に間欠的な相が必要である。 界面における電子とイオンの同時(shí)輸送と界面の制御を?qū)g現(xiàn)することが課題となっている。

正電解質(zhì)との化學(xué)的安定性やカーボン存在下での電解質(zhì)の酸化的安定性の問題や、金屬イオンのデンドライトの問題から、保護(hù)された界面を組み込む必要があります。 固體電解質(zhì)は液體電解質(zhì)に比べてイオン伝導(dǎo)率が桁違いに低い。 また、電解質(zhì)と電極の界面の抵抗を最適化することも重要です。

電池用固體電解質(zhì)への挑戦。

高活性質(zhì)量の厚い複合正極：固體電解質(zhì)の高いイオン伝導(dǎo)性。 酸化物との安定した界面と低い酸化還元活性を持つ電子伝導(dǎo)性添加剤。

薄い低質(zhì)量固體電解質(zhì)膜は、良好な機(jī)械的特性、延伸性、動(dòng)的圧力制御を有する必要がある。

すべてのSSB電解液は、高いイオン伝導(dǎo)性と陽極?陰極間の優(yōu)れた安定性という、これまでにない組み合わせを?qū)g現(xiàn)しています。 負(fù)極の適合性は、他の従來のリチウムイオン電池と比較して、セルレベルで主要な利點(diǎn)を提供するため、この中で鍵となります。

固體電解質(zhì)には大きく分けて3種類あります。

高分子電解質(zhì)：高分子電解質(zhì)の利點(diǎn)は、セルの加工性です。 欠點(diǎn)は、金屬に対する安定性が比較的悪く、特に低溫での導(dǎo)電性が比較的悪いことです。

イオン伝導(dǎo)度の低下＝イオンの輸送量の低下＝パワーの低下。

酸化物電解質(zhì)：理想的な機(jī)械的特性を持ち、非常に剛性が高く、金屬陽極に対して化學(xué)的に安定している。 主な欠點(diǎn)としては、酸化物系の電解液を使ってもすぐに腐食してしまう點(diǎn)や、非常に高い溫度を必要とするため加工が難しい點(diǎn)などが挙げられます。 これらは高い熱安定性を持ち、セルの加工性はごくわずかで、濕気に弱く、導(dǎo)電性の點(diǎn)では中程度です。 酸化物系電解質(zhì)は、通常、化學(xué)的に安定しており、高エネルギーの正極材料を使用することができます。

しかし、イオン導(dǎo)電性は、硫化物系の電解質(zhì)よりも低い。

ペロブスカイト型の材料（LLTO：リチウム?ランタン?チタン酸化物）

酸化物電解質(zhì)の中では、ガーネット構(gòu)造（LLZO：リチウム?ランタン?ジルコニウム酸化物）や、NASICON（LAGP：リチウム?アルミニウム?ゲルマニウムリン酸塩）が印象的です。

硫化物電解質(zhì)：ポリマーと酸化物の中間の機(jī)械的特性を持つ。 どの電解質(zhì)クラスよりも導(dǎo)電性に優(yōu)れています。 記録破りの電解質(zhì)はすべて硫化物クラスの材料から生まれています。 高い導(dǎo)電性、高いセル加工性、高い耐熱性を持っていますが、水分に弱いです。 通常、イオン伝導(dǎo)度は硫化物系電解質(zhì)の方が高いが、化學(xué)的に不安定である。

室溫では、アモルファスのリン酸リチウム（LSPS）は非常に高いイオン伝導(dǎo)性を持っています。 一方、金屬リチウムとの相性が悪いことが懸念されます。

電解質(zhì)を決定する材料を添加剤という。添加剤とは、正極と負(fù)極の表面に保護(hù)膜を形成する少量の材料のことです。正極と負(fù)極の間のリチウムイオンの通過をスムーズにすることで、電池の劣化を防ぐ。

添加剤には、正極添加剤と負(fù)極添加剤の2種類があります。正極添加剤は、正極の構(gòu)造を安定させ、表面を保護(hù)することで電池の老化を防ぎ、過熱や過充電を解消します。負(fù)極添加剤は、溶剤よりも早く溶解し、負(fù)極に強(qiáng)固な膜を形成して壽命を延ばし、過熱を防ぎ、電池の充電を維持します。添加剤は、壽命を延ばし、高溫問題を改善し、抵抗を下げるなど、システム全體で重要な役割を果たします。

セパレーターとは、約4つの特徴を持つ薄い絶縁膜のことで、正極と負(fù)極を分離して保持します。 次に、セパレーターはその名の通り、電池の中で正極と負(fù)極が接觸しないように保護(hù)するものです。

2つ目は、セパレーターには肉眼では見えないサブミクロンサイズの孔があり、この孔が正極と負(fù)極の間でリチウムイオンの通り道になっていることです。 セパレーターは機(jī)械的に安定しているため、引張?zhí)匦预摔瑜旮碑b物や異物を排除し、安全性を確保することができます。 電気化學(xué)的に安定した高絶縁性の材料は、セパレータとして使用することができます。 セパレーターは正極と負(fù)極の相互作用を避けるためのものですが、電池內(nèi)のリチウムイオンや他のイオンと干渉してしまうと大きな問題になります。 セパレータは、電池の溫度が一定以上になると、孔を閉じてイオンの移動(dòng)を阻止することで保護(hù)を確保する必要があります。

最後に、SSBセパレータは十分に小さく、より多くの活性物質(zhì)をバッテリーに組み込むことができ、エネルギー密度を高めることができます。 損傷を避け、確実に保護(hù)するためには、高い機(jī)械的強(qiáng)度も必要です。

固體電解質(zhì)の要件

固體電池の実用化には、特定の特性を兼ね備えた固體電解質(zhì)が必要となる。 液體電解質(zhì)の代替品として適しているためには、固體電解質(zhì)は0.1mS/cm以上のリチウムイオン伝導(dǎo)度を持つ必要があります。 電解質(zhì)がリチウムの還元に対して化學(xué)的に安定しているか、あるいはパッシベーション反応層が形成されている必要があります。 セルの內(nèi)部抵抗を抑えるためには、電解質(zhì)が低抵抗の界面を形成する必要があります。

アルカリ金屬の界面では、大気中で反応した基材層、還元された酸化物、不均一な濡れ方などによって界面抵抗が大きくなるため、低抵抗の界面を作ることは複雑になります。 また、電解質(zhì)には、リチウムフィラメントが電解質(zhì)中に拡散しないように十分な強(qiáng)度と破壊靱性が求められます。また、負(fù)極と正極の両電位において、電解質(zhì)が安定していなければなりません。

固體電解質(zhì)の形態(tài)

高分子固體電解質(zhì)はイオン伝導(dǎo)度が低いため、より高いイオン輸送の恩恵を得るために、通常はより高い溫度（60℃～80℃）で使用されます。 ポリマーは加工しやすいのですが、その機(jī)械的特性は、リチウム金屬の負(fù)極を安定させるには不十分です。

そのため、無機(jī)固體電解質(zhì)が最も評(píng)価されています。 固體硫化物電解質(zhì)の導(dǎo)電性は、固體電解質(zhì)の中でも最も強(qiáng)いものの一つです。

ケミストリーは數(shù)多くありますが、最も使用されているのは「Li2 S-P2 S5」システムです。 Li2 S-P2 S5フレームワークでは、電解質(zhì)はガラス?fàn)睢⒔Y(jié)晶狀、または一部結(jié)晶狀のいずれかになります。 ドープされていないLi2 S-P2 S5電解質(zhì)は、リチウムに対する電気化學(xué)的安定性が低いが、ドープされたものは安定性が向上する。 室溫または400℃以下では、硫化物電解質(zhì)の延性があるため、粒子間の電気化學(xué)的ブリッジングが良好な狀態(tài)でコンパクトに圧縮されます。 そのため、硫化物電解質(zhì)は無機(jī)固體電解質(zhì)の中でも最も加工しやすい電解質(zhì)です。

しかし、空気中の水蒸気との反応性は、ある種の硫化物電解質(zhì)の組成では問題となり、H2 Sを放出して電解質(zhì)を劣化させます。 そのため、通常はアルゴンまたは低濕度のドライルーム環(huán)境で処理されます。

酸化物系固體電解質(zhì)は、無機(jī)系固體電解質(zhì)の第2の形態(tài)である。 いくつかの種類がありますが、ガーネットLi7 La3 Zr2 O12が最も一般的です。 室溫では、固體酸化物電解質(zhì)は強(qiáng)いイオン伝導(dǎo)性を持ち、最も広い電気化學(xué)的範(fàn)囲と、リチウムに対する最大の化學(xué)的安定性を持っています。 さらに、酸化物材料は、固體電解質(zhì)の中で最も高い弾性率と破壊靱性を持っており、リチウム金屬負(fù)極の物理的安定性と長(zhǎng)期的なセル壽命を?qū)g現(xiàn)する上で理想的な材料です。 電気化學(xué)的特性の最適な組み合わせにもかかわらず、高いイオン伝導(dǎo)性を持つ緻密な電解質(zhì)は、1,000℃～1,300℃の焼結(jié)溫度を必要とする。

固體電解質(zhì)中のデンドライトやリチウムフィラメントの発生に対する耐性は、電流密度、すなわちセルの総電流を電解質(zhì)の斷面積で割った値に関連する傾向があります。 その結(jié)果、リチウム金屬がセルを貫通する臨界電流密度（CCD）でセルが故障することがあります。 この臨界値以下の電流密度であれば、安定した充電が可能です。 固體電解質(zhì)の両側(cè)にリチウム電極を配置した非対稱セルでのリチウムの定電流メッキは、CCDの標(biāo)準(zhǔn)的な検査である。

LGPS硫化物固體電解質(zhì)の作製では、中性子線を用いて材料の構(gòu)造を解析した。 研究者たちは、固體導(dǎo)體の分子構(gòu)造の中でイオンが直線的に動(dòng)く様子を観察することができました。 トンネルを3次元構(gòu)造で観察する。 このトンネル內(nèi)では、リチウムイオンの動(dòng)きが観察されました。 このヒントをもとに、研究者たちは材料のイオン伝導(dǎo)性と安定性を改善し、LGPSに少量の塩素を加えることで2つの新材料を開発した。 これらの材料は、世界最高のイオン伝導(dǎo)性能を示した。

これらの材料は、材料設(shè)計(jì)用回折計(jì)で分析されました。 その結(jié)果、イオンが一次元ではなく三次元に移動(dòng)するという畫期的な構(gòu)造を発見したのです。 これが、素材の最高性能を可能にしたのです。 これまでに開発されたさまざまな新世代セルの中でも、これらの材料はすべてのSSBに使用できる強(qiáng)力な電解質(zhì)となった。

このSSBは、リチウムイオン電池と比較して、エネルギー密度がやや高く、出力も高い。 そのため、すべてのSSBのメリットは、コンパクトで大容量のバッテリーを持ち、短時(shí)間で充電できるように設(shè)計(jì)されています。 これらの新しいオールSSBは、獻(xiàn)身的な研究と電解質(zhì)材料の原子レベルでの分析の成果として、新世代の電池につながる可能性があります。

リチウムイオン固體電池では、充電するとリチウムが非多孔質(zhì)固體セラミックセパレーターの原子格子を通って移動(dòng)します。 リチウムが完全に分離されると、セパレーターと電気接點(diǎn)の間に堆積し、純粋な金屬リチウムの負(fù)極が形成される。 リチウム金屬負(fù)極を用いることで、固體電池のエネルギーをより小さなエネルギー量で蓄えることができ、従來のリチウムイオン電池に比べて高いエネルギー密度を得ることができます。 固體リチウム金屬電池は、15分間の急速充電によるエネルギー密度の向上と、有機(jī)ポリマーセパレーターの廃止による安全性の向上により、航続距離を伸ばすことができます。

高エネルギーのリチウムイオン電池。

· 高エネルギー材料の使用

· ニッケルリッチのNMCやNCAの正極とシリコン複合負(fù)極を組み合わせることで、重量および體積エネルギー密度が向上する。

· 製造面ではコスト削減が期待できる。

· 生産工程のわずかな変更で済みます。

ソリッドステートのリチウム電池

リチウム-硫黃電池。

· 放電すると、リチウムは正極で硫黃と反応して硫化リチウムを生成する。

· 硫黃は、広く普及している費(fèi)用対効果の高い材料であり、低コストのバッテリーセルを提供します。

· サイクルと壽命に関する不確実性と高溫感受性が、市場(chǎng)セグメントの成長(zhǎng)を妨げている。

· 現(xiàn)狀では、體積エネルギー密度が自動(dòng)車用としては低すぎる傾向があります。

 

リチウムイオン電池。

· リチウムは、放電時(shí)に正極側(cè)で酸素と酸化され、過酸化リチウムや酸化リチウムとなります。

· 高いエネルギー密度と常溫の空気の使用が技術(shù)的に可能です。

· サイクル安定性に大きな障害があり、今後10年以內(nèi)の自動(dòng)車への適用は不可能と思われる。

すべてのSSBの機(jī)能性とデザイン

· イオン透過性の固體電解質(zhì)がセパレーターとして機(jī)能し、オールSSBのカソードとアノードの間に空間的?電気的な分離を?qū)g現(xiàn)します。

· セルのデザインは様々な種類があります。 上の図は、薄膜セルを表しています。 厚みのある層を作るために、複合陰極を使用することもあります。

· オールSSBの放電時(shí)には、リチウムイオンが負(fù)極から固體電解質(zhì)を経由して正極に移動(dòng)します。 同時(shí)に外部負(fù)荷にも電力が流れます。

· アノード-電解質(zhì)界面の抵抗は、バッテリーセルの効率を左右する重要な要素です。 これを緩和するために、ゴムやアルミ合金などの外付けシートを使用することがあります。

· 強(qiáng)力な電解質(zhì)により、バイポーラ積層が可能です。 その結(jié)果、エレメンタリーセルは直列に接続されることになります。

固體電池は何でできているのですか？

固體電池材料。

アノード。

理論的には最大のエネルギー密度を達(dá)成できるため、リチウム金屬の負(fù)極が理想とされています。 一方、強(qiáng)力な電解質(zhì)は、金屬リチウムがデンドライトを形成するのを防ぐ必要があります。 また、リチウムは大気中の酸素と不動(dòng)態(tài)皮膜を形成するため、不活性雰囲気下での取り扱いが必要となります。

負(fù)極材のシリコンはエネルギー密度が非常に高いのですが、リチウムと混ざると體積が大きく変化してしまいます。

カソード。

陰極には金屬酸化物を使用しています。 オールSSB専用に設(shè)計(jì)された材料は非常に少ないため、既存のカソード材料を使用するケースがほとんどです。

原理的には、電解液に応じて、リン酸鉄リチウム（LFP）のような安価で安全な材料から、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム（NMC）まで、実績(jī)のあるさまざまな正極材料を使用することができます。 正極材料としてはコバルト酸リチウム（LCO）、電解質(zhì)としてはLLZOのみが、実用上十分な安定性と効率を示している。

全固體電池の製造工程

· 電極と電解質(zhì)の処理、セルの組み立て、セルの仕上げは、オールSSBの製造における3つの大きなステップです。

· 普遍的に正しいプロセスチェーンは存在しない。 これらは、リチウムイオン電池の製造プロセスとはいくつかの點(diǎn)で異なります。

· この方法では、主に電極と電解液の出力の観點(diǎn)から、2つの異なるプロセスの選択肢を比較対照します。

電極と電解質(zhì)

Production —- cell assembly——cell finishing

プロセスA

プロセスB

無機(jī)固體電解質(zhì)を用いたトレンチセルの合成は、どちらのプロセスオプションも対象となります。 全固體電池の場(chǎng)合、パウチセル形式が最も適していると考えられる。

角柱狀または円形のセル。

全固體電池は固體部品であるため、巻線には大きな課題があります。 セラミック層が脆いとクラックが発生します。 さらに、層の密著性の問題もまだ解決されていません。

ポーチセル。

全固體電池は、平らな層が変形しないため、積層することでメリットがあります。 さらに、層狀化合物は電極や電解液の加工時(shí)に生成されるため、後から積層する基本セルだけを殘すことができます。

製造工程では、素材が大気に反応するため、ドライルームが必要となります。 金屬リチウムを扱う場(chǎng)合は、アルゴンなどの不活性ガスの使用をお?jiǎng)幛幛筏蓼埂?/span>

リチウムイオン電池セルの開発で身につけた技術(shù)の応用性を、工程ごとに総合的に評(píng)価しています。

プロセスAによる電極と電解質(zhì)の製造。

· 正極、電解質(zhì)、負(fù)極の複合體は、電極と電解質(zhì)の加工で形成されます。

· 電極と電解質(zhì)が形成された後に素粒子が存在する。

· 最初のプロセスチェーンであるプロセスチェーンAの大きな特徴は、層を形成してから積層する連続的な押し出しプロセスであることです。

· このプロセスチェーンは、特に硫化物系の全固體材料に適しています。

正極材?電解質(zhì)の製造（複合化）。

· 制作方法

· 正極材と電解質(zhì)の溶融物を利用するのは、2つの異なるコンパウンド業(yè)界です。

· 材料は、二軸押出機(jī)の加熱されたバレルに供給され、顆粒または粉末として提供されます。

· 押出機(jī)の回転運(yùn)動(dòng)は、材料成分にエネルギーを運(yùn)びます。 その結(jié)果、溶融物は均一になります。

· 正極活物質(zhì)には、正極と電解質(zhì)の間の抵抗を下げるための電解質(zhì)粒子や、結(jié)著剤、添加剤などが混合されています。

· 電解質(zhì)の材料となるのは、電解質(zhì)分子とポリマーバインダーです。

プロセスのパラメータと條件

· 供給される個(gè)々の材料の數(shù)量

· シリンダー內(nèi)の溫度と圧力

· 押出機(jī)の回転數(shù)と圧力

· せん斷力

質(zhì)の高い機(jī)能を備えています。

· 融液の均質(zhì)性

· 融液の粘度

· スケール感と量感の融合

テクノロジーの代替品。

· 高性能ミキシングプラント

正極と電解質(zhì)の製造（共押出し）。

· 制作方法

· 適當(dāng)な金型で、正極と電解質(zhì)の溶融物を共押出しする。 これにより、陰極層と電解質(zhì)層の組み合わせになります。

· 陰極には別の流路があり、電解液は押し出しダイで溶ける。

· 溶融物は、チャネルを通って押出ダイスの出口まで移動(dòng)します。 これをスロットダイを使って導(dǎo)電體に押し出します。

プロセスパラメータと要件

· レイヤーの厚みの調(diào)整

· メルトフィードレート

· 溫度

· 圧力

· ロールスピード

· カレンダーロールの押し付け圧力

質(zhì)の高い機(jī)能を備えています。

· 膜厚

· レイヤ幅

· 層間の密著性

テクノロジーの代替品。

· スクリーン印刷

箔押し

負(fù)極製造（押出成形、カレンダー加工）。

· オールSSBの負(fù)極には、金屬リチウム箔を使用することができます。 このリチウムフィルムの製造には、押出成形とそれに続くカレンダー加工が用いられます。

· そのためのピストン式押し出し機(jī)のシリンダーに液體リチウムを流し込む。 このリチウムは、ピストンによってノズルに絞り込まれます。

· 押出成形後にカレンダー処理を行うことで、均質(zhì)性と光學(xué)的膜厚を確保しています。 そのために潤(rùn)滑剤を塗布した2本のローラーでテンションをかけながらフィルムを巻きます。

· ローラーは、リチウムの粘著性に対応できなければなりません。 そのためには、ポリアセタール製などのポリマーコーティングされたローラーが有効です。

プロセスパラメータと要件

· 押出速度

· 溫度

· ノズルの形狀

· カレンダーロールの押圧力

· 潤(rùn)滑油の供給速度

· ロールスピード

質(zhì)の高い機(jī)能を備えています。

· 膜厚

· 箔の幅

· リチウム箔の均質(zhì)性

テクノロジーの代替品。

· 原子層蒸著

PVDプロセス

レイヤー合成（ラミネート）。

· 加工された正極?電解質(zhì)複合體にリチウム箔を貼り合わせる。 この作業(yè)には、ローラーを使って2つの層を一緒に配置します。

· 次の段階では、2つのローラーを使って2つの層を強(qiáng)制的に組み合わせます。 より大きな接著力を得るために、これらを加熱する。 加熱?加圧することでポリマーが層間に浸透し、陽極と電解質(zhì)をつなぐ役割を果たします。

· ドライラミネートとウェットラミネートという言葉は、區(qū)別することができます。 ラミネートするまでは、ウェットラミネートは接觸面を溶剤で濕らせます。 これにより、低溫?低圧でのラミネートが可能になりました。

プロセスのパラメータと要件

· レイヤーの送り速度

· ロールスピード

· 圧力

· オプションでレイヤーの加熱が可能

質(zhì)の高い機(jī)能を備えています。

· 層間の密著性

· 望ましいコンポジットの厚さ

· コンポジットの形狀

テクノロジーの代替品。

· プレスとその後の焼結(jié)

電極?電解質(zhì)製造工程B

· 物理的な気相成長(zhǎng)（PVD）プロセスにより、各層を次々と追加していくのが、下図の手順Bの大きな特徴である。

· 薄膜電池の製造工程を示した今回のプロセスは、特に酸化物系の全固體電池に適しています。

材料の準(zhǔn)備（粉砕と混合）。

· 製造方法

· ボールミルを使って正極粉と電解質(zhì)粉を分離します。

· 原料はこの作業(yè)のために円筒形の粉砕ドラムに入れられます。 この研削ドラムでは、ボールが研削媒體として使用されます。

· シリンダーの回転運(yùn)動(dòng)で出発物質(zhì)を結(jié)合する。 さらに、この回転運(yùn)動(dòng)によって、研削媒體と出発材料が、出発材料を研削する際に相対的に移動(dòng)します。

· その後、所望の粉體特性を得るために焼成します。

プロセスの要件とパラメータ

· ボールの材質(zhì)