背景

1800 年、イタリアの物理学者 A. ボルタは、実用的な電池の始まりを切り開き、電気化学エネルギー貯蔵装置における電解質の重要性を初めて説明したボルタ電柱を構築しました。電解質は、負極と正極の間に挿入された、液体または固体の電子絶縁性およびイオン伝導性の層として見ることができます。現在、最も先進的な電解質は、固体リチウム塩 (LiPF6 など) を非水性有機カーボネート溶媒 (EC や DMC など) に溶解することによって作られています。一般的なセルの形状と設計によれば、電解質は通常、セル重量の 8% ～ 15% を占めます。何'さらに、可燃性と最適動作温度範囲は -10 ℃です。°C～60°Cは、電池のエネルギー密度と安全性のさらなる向上を大きく妨げます。したがって、革新的な電解質配合は、次世代の新しい電池の開発を可能にする重要な要素であると考えられています。

研究者は、さまざまな電解質システムの開発にも取り組んでいます。たとえば、効率的なリチウム金属サイクルを実現できるフッ素系溶媒、自動車産業や「固体電池」（SSB）に利益をもたらす有機または無機固体電解質の使用です。その主な理由は、元の液体電解質と隔膜を固体電解質に置き換えると、バッテリーの安全性、単一エネルギー密度、寿命が大幅に向上する可能性があるためです。次に、材料の異なる固体電解質の研究進捗を中心にまとめます。

無機固体電解質

無機固体電解質は、一部の高温再充電可能電池 Na-S、Na-NiCl2 電池、一次 Li-I2 電池などの市販の電気化学エネルギー貯蔵装置に使用されています。 2019年に遡ると、日立造船（日本）は宇宙で使用できる140mAhの全固体パウチ型電池を実証し、国際宇宙ステーション（ISS）でテストした。このバッテリーは硫化物電解液とその他の非公開のバッテリーコンポーネントで構成されており、-40℃の間で動作することができます。°Cと100°C. 2021 年に、同社は 1,000 mAh の高容量固体電池を導入します。日立造船は、宇宙や一般的な環境で動作する産業機器などの過酷な環境向けの固体電池の必要性を認識しています。同社は2025年までに電池容量を2倍にする計画だが、今のところ電気自動車に使用できる既製の全固体電池製品はない。

有機半固体および固体電解質

有機固体電解質分野では、フランスのボロレ社がゲルタイプのPVDF-HFP電解質とゲルタイプのPEO電解質の商品化に成功した。同社はこの電池技術を電気自動車に応用するカーシェアリングの試験プログラムも北米、欧州、アジアで開始しているが、このポリマー電池が乗用車に広く採用されることはなかった。商業的に採用されにくい原因の 1 つは、比較的高温 (50℃) でしか使用できないことです。°C～80°C) および低電圧範囲。これらのバッテリーは現在、一部の市バスなどの商用車で使用されています。純粋な固体高分子電解質電池を室温 (つまり、約 25 ℃) で使用した例はありません。°C)。

半固体のカテゴリには、塩と溶媒の混合物などの高粘度の電解質が含まれます。電解質溶液は、標準の 1 mol/L より高い塩濃度を持ち、濃度または飽和点が 4 mol/L にも達します。濃縮電解質混合物に関する懸念は、フッ素化塩の含有量が比較的高いことであり、これにより、そのような電解質のリチウム含有量と環境への影響についても疑問が生じます。これは、成熟した製品の商品化には包括的なライフサイクル分析が必要だからです。また、電気自動車への組み込みをより容易にするために、調製された半固体電解質の原材料もシンプルで容易に入手できる必要があります。

ハイブリッド電解質

混合電解質としても知られるハイブリッド電解質は、固体電解質の製造性と拡張性、および積層技術の要件を考慮して、水性/有機溶媒のハイブリッド電解質に基づいて、または固体電解質に非水性液体電解質溶液を追加することによって変更できます。しかし、このようなハイブリッド電解質はまだ研究段階にあり、商品化された例はありません。

電解質の商業開発に関する考慮事項

固体電解質の最大の利点は、高い安全性と長いサイクル寿命ですが、代替の液体または固体電解質を評価する際には、次の点を慎重に考慮する必要があります。

• 固体電解質の製造プロセスとシステム設計。実験用ゲージ電池は通常、電極の片面にコーティングされた厚さ数百ミクロンの固体電解質粒子で構成されています。 10～100Ahの容量が現在のパワーバッテリーに必要な最小仕様であるため、これらの小型固体電池は大型電池（10～100Ah）に必要な性能を代表するものではありません。
• 固体電解質は隔膜の役割も代替します。 PP/PE ダイヤフラムよりも重量と厚さが非常に大きいため、重量密度を達成するために調整する必要があります。≥350Wh/kgとエネルギー密度≥900Wh/商品化の妨げにならないようL。

バッテリーは常にある程度の安全上のリスクを伴います。固体電解質は液体より安全ですが、必ずしも不燃性であるとは限りません。一部のポリマーや無機電解質は酸素や水と反応して熱や有毒ガスを生成し、火災や爆発の危険を引き起こす可能性があります。単セルに加えて、プラスチック、ケース、およびパックの材料も制御不能な燃焼を引き起こす可能性があります。したがって、最終的には、総合的なシステムレベルの安全性テストが必要になります。