ハイブリッドセラミック

Jan 07, 2024

ハイブリッドセラミックポリマー電解質をベースにした将来世代の全固体リチウムイオン電池は、初期の全固体電池に関連する多くの技術課題を克服しながら、より大きなエネルギー貯蔵、より高速な再充電、より高い電気化学的および熱的安定性の可能性を提供する可能性があります。 。

ジョージア工科大学 (ジョージア工科大学) では、研究者らがハイブリッド電解質、つまりバッテリーが電気自動車 (EV) などのシステムに電力を供給し、その後再充電される際に電極間で電荷を移動させるコンポーネントについての基本的な理解を深めようと取り組んでいます。 今日のEVで広く使用されているリチウムイオン電池は液体電解質に依存しているため、損傷すると熱暴走や発火の危険性があります。

ジョージア工科大学研究所で電池研究を率いる主任研究員イラン・スターン氏は、「われわれは、これらのハイブリッド固体電解質を製造し、コイン電池に組み込んで高性能と高い安定性を実証できることを示した」と述べた。 GTRI)、ジョージア工科大学の応用研究組織。 「私たちは、これらのセラミックとポリマーのハイブリッドをベースにした全固体電池のイノベーションを開発できることを示す基礎を築きました。私たちの次のステップは、この技術を電気自動車で使用されるタイプの電池であるパウチセルに統合することです。」

GTRI の研究者らは、ジョージア工科大学のジョージ W. ウッドラフ機械工学部、材料科学工学部、戦略エネルギー研究所の同僚と協力して、リン酸リチウム アルミニウム ゲルマニウム (LAGP) として知られる電解質の研究に取り組んでいます。 ポリ DOL として知られるポリマー成分が LAGP 電解質を取り囲み、可燃性液体の欠点を持たずに、既存のセラミック電解質をはるかに上回る内部イオン伝導性を実現します。 製造チームと学術協力は、GTRI 研究科学者である Jinho Park 氏が率いています。 LAGP セラミックの合成は、GTRI の主任研究員であるジェイソン ナドラーが主導しています。

スターン氏は、従来のセラミック電解質は、バッテリーの陽極と陰極の間の空間に注がれるハードキャンディー（M&Ms を思い浮かべてください）に似ていると説明しています。 硬質セラミックは安全性とエネルギー貯蔵の利点を提供しますが、イオン電荷を移動させるための電極との接触量には制限があります。 ポリマーを添加すると、セラミックのほとんどの利点を維持しながら、電極と電解質の間の界面接触が劇的に改善されます。

「電気化学的安定性、熱的安定性、機械的安定性が、液体電解質とこれらのハイブリッドの主な違いとなるだろう」と同氏は述べた。 「私たちは両方の長所を実際に取り入れています。全固体電池ではリチウム金属負極の使用が可能になるため、容量の上限が大幅に高くなり、最終的には従来の電池と比較してエネルギー密度が劇的に増加するはずです」液体電解質をベースにしたリチウムイオン電池。」

ハイブリッド セラミックとポリマーの電解質はホッケーのパックのように見えますが、純粋なセラミックよりも損傷に対する耐性が高くなります。 「セラミックよりもはるかに寛容であることは間違いありません」とスターン氏は語った。 「たとえ微小な亀裂が生じたとしても、ポリマーが足場となって完全性を確保し、構造的に結合します。」

全固体電池はまだ商用化されていないが、電池メーカーが改良を続ける中、少なくとも1社のEVメーカーが今後数年以内に全固体電池を車両に搭載する計画を立てている。 しかし、この技術は既存の液体電解質システムに比べてはるかに成熟しておらず、ジョージア工科大学の研究者らが取り組んでいるハイブリッドシステムのような革新を招いている。

この研究は、GTRI からの 3 年間の 110 万ドルの独立研究開発コミットメントによって一部支援されています。 「ジョージア州では電気自動車、バッテリー製造、リサイクルのために前例のない連邦および州の投資が行われており、GTRIは引き続き強力な連携を構築し、ギャップや新たなビジネスモデルを特定し、対応するために必要なリサイクル工場の数と種類を予測していきます。将来の市場の需要を考慮して」とスターン氏は付け加えた。

研究者らは、実験室規模の小型電池での有望な結果に基づいて、さらなる開発とテスト、そして最終的には大規模製造のために数百、数千単位で製造できる電池に研究を拡大することを計画している。 スターン氏は、「製造の効率が高まるにつれて製造コストは下がり、サプライチェーンの統合や再利用とリサイクルという持続可能性の目標は大きな影響を与えるだろう」と述べた。

研究チームは、この技術の可能性を実証するだけでなく、将来の技術開発の指針となるセルの動作のモデル化や、ハイブリッド電解質固体電池の潜在的なライフサイクルの評価も行っている。 将来の目標には、世界の紛争地域から調達された材料に依存しないサプライチェーンにこの技術を統合することや、標準的なグラファイトに代わるリチウム金属やシリコンなどの新しい電極材料を評価することが含まれる。

「モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) タスクの目的は、製造レベルからシステム統合に至るまでの専門知識をモデル化し、研究の機会や新しいビジネス モデルを明らかにすることです」と GTRI 上級研究エンジニアのポーラ ゴメス氏は述べています。 、モデリングチームがリードします。

研究チームは 3 つの主要な分野でモデルを開発しています。(1) 製造と性能。 (2) 製造工程。 (3) 再利用、再生、リサイクル。 これらのモデルの統合には、バッテリーの効率と安定性、生産コスト、エネルギー消費、リサイクル材料の投資収益率の評価が含まれます。

固体電解質の利点は非常に魅力的ですが、今後の課題もあります。 ハイブリッド電解質システムの製造はより複雑であり、材料間の電気的、機械的、化学的相互作用を徹底的に研究する必要があります。 「複雑さが増すほど、理解しなければならない問題も多くなります」とスターン氏は言う。

GTRI は、米国国防総省機関が後援する研究を通じて国家安全保障を支援していることで知られています。 スターン氏は、改良された固体電池技術が最終的には兵士が携行する軍用装備や将来世代の電動軍用車両に応用されるだろうと予想している。

この取り組みは、急速に電気自動車とバッテリー製造の中心地になりつつあるジョージア州の経済発展も支援します。

「ジョージア州は、リビアンやヒュンダイなどの自動車メーカー、SKやフレイヤー・バッテリーなどの電池会社、アセンド・エレメンツなどのリサイクル業者によって、電動化革命の中心地になりつつある」とスターン氏は語った。 「ジョージア工科大学は、そのイノベーションの推進を支援することで州の経済発展に貢献しています。」

ジョージア工科大学提供