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学習記録

【中国語特許翻訳】電気自動車と全固体電池(2020/10/07)

今日、興味深い記事を読みました。

「全固体電池を採用したEV、一番乗りはTeslaかトヨタか?」

今、学習している全固体電池の記事ですし、更にテスラとトヨタの動向が気になります。
テスラ、躍進がすごいですよね!
でも、やはり気持ち的には勿論トヨタに頑張ってほしいです!
私は、ウーブンシティにも住んでみたい派ですしw

しかし、この全固体電池とはそもそもどのような電池でしょうか。
今日はこの全固体電池について簡単に見ていきたいと思います。

電池のおさらい

電池は、「電極(正極・負極)」、「活物質(正極活物質・負極活物質)」「電解液」「セパレータ」そしてこれらを収める「容器」で構成されています。

そして電池と言えば、大きく一次電池と二次電池に分類されます。
一次電池とは使い切りで充電ができない電池を指します。
アルカリマンガン電池、アルカリボタン電池などのいわゆる乾電池で、今でもまだ懐中電灯や時計、おもちゃ等、数多く使用されています。

参照: 電池の情報サイト

ただ、現在電池の主流は二次電池で、充電ができるタイプの電池です。
自動車用の蓄電池やスマートフォン、パソコン等用途が多く、充電が繰り返しでき非常に便利ですよね。
一次電池は完全に使い捨てになってしまいますが、二次電池は繰り返し利用でき、環境に優しい電池と言われています(ゴミが減る、資源を有効利用できる等)。
また、ハイブリッドカー、太陽光発電等のように、基本は電気や太陽光等から得た電気を使用し、発電量が少ない時に二次電池を活用するなど様々な資源と組み合わせることで、広い用途で使用されています。

リチウムイオン二次電池とは

二次電池の代表的なものと言えば、リチウムイオン電池でしょう。
リチウムイオン二次電池は

*大容量(小さな電池でより大きな電力を蓄える
      =バッテリー持久力)
*高出力(充放電時の入出力電力が大きい)
*寿命が長い(充放電を繰り返しても劣化しにくく、
        自己放電が少ない)
*継ぎ足し充電可能(継ぎ足し充電しても劣化しにくい)
*低温での使用可能(有機溶媒使用のため、氷点下でも
           凍結しない)

という特徴があります。
その為、電子機器や自動車等のバッテリーとして非常に適しているという訳です。
ただ、リチウムイオン二次電池の数少ない欠点として、安全性が挙げられます。

参照:日経ビジネス

上図、左がリチウムイオン二次電池ですが、負極にリチウム(Li)を使用し、正極は二酸化マンガン等の様々な活物質を使用します。
リチウムは金属の中でもイオン化エネルギーが大きく(イオンとなりやすい=溶けやすい)反応性が非常に高い金属です。

そして、材料として有機溶媒の液体電解質を使用しています。
この有機溶媒は、非水電解液で発火しやすい揮発性です。
リチウムイオン二次電池は、正極と負極の間をリチウムイオンをやり取りすることで充放電動作を行います。
ただ、リチウムは水と反応しやすいため、水を溶媒として使用すると、どんどん電気分解して酸素と水素になってしまいます。
そうなると、電解液がどんどん揮発していくため、水は使用できません。
その為、可燃性の有機溶媒にリチウム塩を溶かして、電解質を作成しています。

また、電極同士が触れると短絡現象(瞬間的に大量の電流が流れる)が起き有機溶媒が発火する恐れがある為、正極と負極の間にセパレータ(絶縁層)が置かれ、リチウムイオンは自由に行き来できるけれど、電極同士は触れ合わないよう分離されています。
しかし、衝撃による破損や、高温化環境での使用等により、発火や爆発を起こす可能性が大きいのです。
飛行機内に持ち込まれたパソコンのバッテリーから発火が起こった事もあるようです。
現在、バッテリーのニッケルの含有量やワット数が制限を超える場合、機内に持ち込めなくなったり、制限を超えなくとも個数制限があったりするようです。

つまり、リチウムイオン二次電池は安全性が最大の課題でした。

全固体電池とは


全固体電池はリチウムイオン二次電池のメリットを維持しながら、更に安全性を高めたものになります。

全固体電池とは、電池の中に電解液が無く、正極と負極の間に固体電解質のみがある電池の事です。
可燃性の液体電解質ではなく、固体でありながらイオンの動きを妨げない材料を電解質として利用しました。

参照:国立研究開発法人新エネルギー産業技術総合開発機構


固体電解質には大きく硫化物系と酸化物系(セラミック)の二種類があります。

*硫化物系
  メリット
   ・イオン伝導率が高い
   ・成形性に優れる
  デメリット
   ・大気中で不安定(不活性雰囲気下での作業が必要)
   ・空気(水分)に触れると分解して有害な
    硫化水素を発生する

*酸化物系
  メリット
   ・物質は極めて安定(大気中で安定)
   ・安全性が高く長寿命
  デメリット
   ・イオン電導率が低く、大容量化・高出力化が困難


それぞれメリット・デメリットがある為、特性に合わせて用途を使い分ける傾向にあるようです。

硫化物系・・・大容量や高出力化に向いている → EV用バッテリー
酸化物系・・・大容量や高出力化が困難    → ウェアラブル機器・
                        IoTデバイス等

また、全固体電池の種類としては以下の二種類に大きく分けられます。

*バルク型全固体電池
   ・リチウムイオン二次電池と似た構造
   ・固体電解質を利用(微粒子を圧粉成形する事等によって作製)

*薄膜型全固体電池
   ・気相法(スパッタ法・パルスレーザー堆積法等)を用いて
    薄膜を積層し、全固体電池を作製
   ・薄膜を積層することにより、小型化や大容量化が可能。
    また、多重構造にしたり折り曲げたりも可能で、
    形状の縛りが無い。


参照:大阪府立大学

全固体電池に関しては、メリットが多いのですが、普及のためには、高いイオン電導性を持つ固体電解質を開発することが重要です。
安全性が高い電池が早く普及すると良いですね!
今後の発展が楽しみです。

今日は、全固体電池について解説しました!
興味を持って頂ければ、幸いです!

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