電池を取り巻く最近の動向について、色々と”感じる”ことがあり、ここで、「つぶやき」・・・を載せさて頂きます。 
あくまで、個人的なイメージであり、かつ私見でもありますので、
軽くお聞き流し下さい!

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ドローンが急激に普及してきたが、ドローンのための電池として何が適しているのか・・・・

最近、ドローンが活躍する場面が一気に増えてきた。例えば、物流支援、高所や人が立ち入りできない場所での視認検査、空中撮影、軍事用途・・・等々である。基本的にドローンの場合、電源としては重量エネルギ密度が高いものが求められる。
LIBは比較的エネルギ密度が高い電源として重宝されてきたが、更にドローンの機能を拡大するためには、更に高エネルギ密度電池が求められるのは必然的である。
燃料電池の活用も非常に有望な選択肢であるが、蓄電池としては・・・やはり・・・金属リチウムを負極に用いた電池・・・金属Li蓄電池が最適であると思っている。 というのは、LIBに比べ、圧倒的にエネルギ密度が高くできる可能性があるからである。
ただ、寿命や安全性はLIBに比べると劣ることは否めない。しかし、これら短所を理解したうえで活用方法を考慮すれば、一つのビジネスモデルが構築できると考えている。 
例えば、「寿命は300サイクルで十分と割り切る」、「充電は低速充電を基本とする」、「利用目的を輸送、検査、撮影・・・などに限定する」・・・といった活用方法である。 
こういった目的のもと、金属Li電池の応用研究やシステム開発を産学官でより一層・・・積極的に行って頂きたいと思っている次第である。

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【ブログ内ひとりごとからの再掲載】 
全固体電池・・・・開発方向を・・・圧倒的長寿命の高耐久性電池に絞ったら・・・いいかもしれない

・全固体電池は何を目指して開発しているのだろうか?・・・と・・・時々思う。
・従来のLIBでは、充放電に伴う電極の膨張収縮があるため・・・充放電の繰り返しで、メカニカルな破壊が進み、電極内の電導パスが切断されることによる劣化が進行したりする。膨張収縮度合いが比較的大きい高容量電極活物質になれば、より一層この劣化は深刻化する。しかしこれは電極そのものの問題で、LIBは電解質が液体であるため・・・電解質ー活物質間の界面は”濡れ”状態を維持できている。つまり、活物質ー電解質界面の物質移動に関しては機能を損なうことは比較的少ない。
・一方、全固体電池の場合・・・電解質が多少柔らかい材料であっても、充放電に伴う膨張収縮によりメカニカルな破壊が進行し、固体粒子間の電子伝導やイオン伝導が失われていくことは明らかである。インターカレーション型の電極材料を使う限り、「高容量化=膨張収縮拡大」であり、全固体電池で高エネルギ密度電池(cell)を目標とするのはおそらく間違っている・・・と思う。 

しいて言えば、従来のLIBで用いられている3元型正極やグラファイト負極もそのメカニカル特性から全固体電池には向かないと考えている。 つまり、全固体電池を搭載して”航続距離を伸ばす”というのは、電池寿命を犠牲にして成り立つものである。
よく考えると・・・その方向は・・・”LC”や”WtoW”の観点からもカーボンニュートラルに逆行する・・・ものとなってしまう。
・しかしながら、全固体電池では、電池(cell)そのものの安全性、構成素材の熱安定性の高さは期待できる・・・と思っている・・・ので何とか実用化してほしい。

・ということで・・・、少し視点を変えて・・あえて高エネルギ密度化を狙わず、圧倒的な長寿命を有する超耐久性電池を狙ってみてはどうだろう?
・正極や負極の活物質の中には、充放電での膨張収縮が極めて小さいものがある。例えば、無歪正極材料Li2Co1.8Ni0.2O4 、寸法安定性LiCoMnO4や無歪Li2Co2O4などである。負極では、チタン酸Li(LTO)などがそれにあたる。
・元々、固体電解質はLIBの電解液のような電気分解による副反応が無いこと、有機物でないため耐熱性が優れていることなどから・・・長寿命・高耐久性が期待できる電池系と言われてきた。 

この全固体電池が持つ潜在的な耐久性と上記無歪み材料を組み合わせることで・・・非常に耐久性の高い電池を得ることが期待できないだろうか?
・単セルとしてのエネルギ密度は下がるが、バイポーラ型の電極構造の採用と電池Packの冷却機構部分省略等が適用できるとしたら、実用に資する蓄電池が期待できるのではないだろうか?
・例えば、カレンダー寿命が現行LIBの数倍となる蓄電池や・・・半永久的に使える電池が出現すれば、ある意味・・・世の中が変わる可能性がある。 
・たとえLIBの50%~70%程度の容量しかない電池でも・・・航続距離を望まない小型EVには使えるし・・・、さらに、安全性も高く、寿命が圧倒的優位なら・・・脱炭素という大きな目標に対して有意性は極めて高い。
・とにかく、耐久性が保証されるということは・・・長期の使い回しが心配なく行えることなので、電池再利用(リユース、リサイクル等)市場の構造も変わってくるし、電池交換方式のEV普及構想の実現にも寄与する。 ただしこの場合・・・特定の運用ルールや規格化は必要となる。

そのようなことを想像すると・・・全固体電池の開発方向の再考察も悪くない・・・と感じてしまう。
例えば、産学官連携プログラウムなどの中で、このようなテーマの開発を日本が先んじて行なうことで競争力強化につながらないだろうか?・・・などと思う次第である

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【ブログ内ひとりごとからの再掲載】                エネルギ密度が2倍になるとか・・・5倍になるとか・・・そんなニュースをよく見るが、本当かな? 

・電池のエネルギ密度を〇〇倍にするって・・・ほんとは凄いことを成し遂げようとしている・・・ことを知ってほしい。 特に、電池というのがCellのことを言っているのなら・・・それは凄いことなのです。

・例えば、現行の電池構成が、イメージ図1のように、正極と負極の大きさが同等(1:1)で容量バランスが取れていると仮定する。
正極の容量が2倍になる正極を開発できたとすると、イメージ図2のように、正極の大きさは元の1/2で同じ容量を発現できることになる。
この時、負極の能力が変わらないとすると・・・1/2の正極で元の大きさの負極と容量バランスが取れていることになる。正極が1/2になったので、
イメージ図2のように全体の1/4が余ることになるが・・・この1/4の部分に、正極と負極を埋めて全体を満たして電池としての容量アップを図ることになる。
この場合は・・・イメージ図3のように・・・この余った1/4の部分に・・・正極:負極=1:2の能力比で追加を行えばいい。 正極基準で考えると、正極は1/3増えたことになる。 すなわち、正極の容量が2倍となる正極を開発した場合は、電池容量は、約33%増加する計算となる。 


・ということは、電池容量を2倍にしようとすると正極と負極を同時に2倍の能力にする必要がある。 よくよく考えてみると、一方の能力が変わらない場合は、正極か負極か・・・いずれかの能力を100倍にしようと1000倍にしようと、電池容量を2倍にすることはできない。 

・このように、電池容量は簡単に増加できる代物ではないことを理解してほしい。

・エネルギ密度は、Wh(電圧V×容量Ah)/kg、またはWh/Lなので、電池系の起電力Eが2倍になればエネルギ密度は2倍になるが、起電力が2倍になるような材料を開発するのは高度なScienceの問題で簡単ではない。  Cellのエネルギ密度Upは困難な課題であることは間違いない。 これがPackのエネルギ密度の話をしているのなら・・・また別である。 Packの場合、Cellのエネルギ密度が変わらなくても・・・・例えば、冷却機構部分が全体の半分を占めており、耐熱性の電池開発で冷却機構が要らなくなると・・・エネルギ密度はいきなり2倍になる

・要するに、電池の容量が××倍になったというニュースを見たら・・・、それはCellのことを言っているのか? その真実を検証してほしい・・・
ということで・・・つぶやいてみました

  

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【ブログ内ひとりごとからの再掲載】                   Ni richほど・・・容量(mAh/g)が大きい・・・というのは・・・なんか変でしょう?

・LiCoO2のCoの位置すべてを同じ遷移金属のNiに置換するとLiNiO2となる。 Niの原子量(58.693)とCoの原子量(58.933)は、
ほぼ同じ・・・ということはLiMeO2としての分子量はほぼ同じと考えられる。  また同じ化学式で、結晶構造(どちらも空間群R-3mに帰属)も同じということを考えると、Liを蓄える量は同じと考えられる。 ということは、容量(mAh/g)が、LiNiO2>LiCoO2となるのはなぜ? ということになる。

 
・LIBの充放電はある固有の充電終止電圧と放電終止電圧間で行われる。これは電解液の電位窓(電気分解しない電位範囲)の関係で決まる。例えば充放電は4.2V-3.0V間で行う電池系というのは・・・4.2Vを超えた充電をすると電解液が電気分解したり、3.0Vを超える放電をすると電極活物質が分解するので・・・この電位窓の範囲内で充放電は行われる。

・LiCoO2とLiNiO2を同一条件のCellにし、充放電を4.2V-3.0V間で行うと、圧倒的にLiNiO2の方が容量が大きくなる。 何故だろう?

・これは充放電の電圧プロファイルをよく見ると分かってくる。 LiCoO2に比べLiNiO2の充放電電圧が低い位置を這うからである。
下にイメージ図を示すが、電圧が低いから・・・充電終止電圧に到達するのが遅れるため・・・充電が深くなる・・・という仕組みである。 さらに、細かいことを言えば、Liの脱離量が多くなるので結晶に負担がかかり・・・寿命が・・・××・・・ということになる可能性が高い。

・そのため結晶の安定化・強化の目的で、NiとCoの複合酸化物としたり、更にAlを添加 したり(これがNCAとなる)、Mnを添加したり(これがNMCとなる)して・・・、
そこそこ使える活物質の開発の成功したわけである。 世間が高容量を切望していることもあり、より Ni richの活物質開発が進み、NMC811といったNiが80%も入った活物質も利用されることになった。 

・ああそんな簡単なことか・・・と思われるかもしれないが、実は、この新材料を使いこなすためには・・・周辺材料や電池設計の改良・・・等々の途方もない技術的努力が、電池技術者によって行われていることも知ってもらいたい。  

ということで、・・・つぶやいてみました

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2022.09.03 EVの急速充電化の動きが活発ですが・・・ほんとに大丈夫?

・ICE(内燃機関エンジン)車はガススタンドで10分もあれば給油できます。この利便性に近づけるために、EVにおいては”急速充電できること”に対する要求は非常に高いものと思われます。
では、急速充電とはどのくらいの時間を想定しているのでしょうか? 「とある記事では1時間充電を急速充電と呼んでいましたが、市街の充電ステーションで1時間はつらいものがあります。せめて15分くらいで完了したいものです。」といった具合にEV市場側からの期待は膨らんでいます。

・EV搭載電池の多くは”LIB(リチウムイオン電池)”ですが、この電池系は急速充電に向いているのでしょうか?

・SCiBなどの一部の電池には急速充電に比較的向いているLIBもありますが・・・、市場の要求とは逆に、電池側(電池技術に携わる側)から見ると・・・「ほとんどのLIBは急速充電には不向き」と・・・考えています。

・特に、今主流の”三元系正極材と黒鉛負極を組み合わせたLIB”などは”不向き”な系と考えています。この”不向き”は決して急速充電ができないと言ってる訳ではありません。恐れているのは、急速充電を繰り返すことによる・・・”電池劣化の加速” ”安全性の低下”・・・です。

・電池の劣化が早くなるとLIBのLC(ライフサイクル)の観点から、脱炭素の方向に逆行する懸念さえあります。

・でも、一番怖いのは、局所分極によって負極の微細構造の中に金属Liが析出することです。この反応はほとんど不可逆なので・・・それが積み重なると・・・極めて重篤な安全不具合につながる可能性があることです。要するに、車載火災が起こりやすくなるということです。

・この不具合は、現行LIBの”電解液のLiイオン濃度が希薄”という本質的な問題、LIBの電極品質に寄する”微視的な電極反応の局在化”などの構造的問題などが絡み合って起こると想定される。
電気化学の講義の初期に学んだ「 Nernst の式」をイメージすると、なんとなくお解り頂けるのではないかと思います。

・話は戻りますが、15分で充電完了するためには平均4Cレートで充電することになりますが、局所分極を避けるためには充電をSOC60%くらいに抑える(満充電ではないので充電後の走行距離が短くなる)ような施策が必要かもしれません。

・電池側の技術革新でこの課題を解決できない場合を想定すると、「低レート(0.2C~.01C)で充電したLIBを電池交換式のインフラの中で運用する」という方法は、電池の標準化などの課題をクリアしなければなりませんが、電池側から見ると推奨できる施策と思います。

・以上のような懸念は、EVの車載電池含めた蓄電池事業を進めている産学官の皆様方は十分ご承知の話かもしれませんが、気になって仕方が無いのでつぶやいてみました。