ソリッドステートバッテリー製造技術：リチウムイオ

全固体電池の利点と展望

リチウムイオン電池の次世代技術として、全固体電池は近年広く注目を集めています。従来のリチウムイオン電池と比較して、全固体電池は安全性、エネルギー密度、体積の点で大きな利点をもたらします。香港科学技術団地管理局の調査報告書によると、全固体電池のエネルギー密度は500Wh/kgを超え、既存のリチウムイオン電池の250Wh/kgをはるかに上回ると予想されています。さらに、全固体電池は全固体電解質を使用しているため、液体電解液漏れのリスクが回避され、電池の安全性が大幅に向上します。電気自動車とエネルギー貯蔵システムの需要が高まり続ける中、全固体電池は将来のエネルギー貯蔵の主要技術とみなされています。

製造プロセスの点では、全固体電池は従来のリチウムイオン電池とは異なります。たとえば、従来のこのプロセスでは、バッテリーの損傷を避けるために正確な温度制御が必要ですが、全固体電池の製造では、全固体電解質の均一性と界面処理に重点が置かれています。この違いにより、全固体電池の製造プロセスはより複雑になりますが、より高い性能の可能性も得られます。リチウムイオン電池製造プロセス

全固体電池と従来のリチウムイオン電池の違い

電解質の違い: 固体電解質の利点

従来のリチウムイオン電池は液体または有機電解質を使用するため、過熱や短絡により安全上の問題が発生しやすい可能性があります。全固体電池は、酸化物、硫化物、ポリマーなどの固体電解質を使用しており、熱安定性が高いだけでなく、樹状突起の成長を効果的に抑制し、電池寿命を延ばします。香港大学の研究チームは、硫化物固体電解質のイオン伝導率が液体電解質のイオン伝導率に近いことを発見し、全固体電池の商業応用の基礎を築きました。

安全性:全固体電池の本質安全防爆

全固体電池の安全性は、その最大のセールスポイントの 1 つです。可燃性の液体電解質がないため、全固体電池は極端な条件下でも発火や爆発を起こしにくくなります。これは、電気自動車やエネルギー貯蔵システムにとって特に重要です。香港消防局のデータによると、近年のリチウムイオン電池火災の約70%は電解液漏れに関連しています。全固体電池の普及により、これらのリスクが大幅に軽減されることが期待されます。

エネルギー密度:全固体電池はエネルギー密度のボトルネックを突破することが期待されています

エネルギー密度はバッテリーの性能を示す重要な指標です。全固体電池は負極材料としてリチウム金属を使用できるため、そのエネルギー密度は理論的には従来のリチウムイオン電池の 2 倍以上に達する可能性があります。香港科技大学の研究によると、硫化物固体電解質を使用した電池のエネルギー密度は400Wh/kgを超えており、これは商業用途のしきい値に近い。

体積: 全固体電池は小型で軽量です

全固体電池はよりコンパクトで、追加のセパレーターや液体電解質が不要になり、体積と重量が大幅に削減されます。これは、ウェアラブルやドローンなどの重量に敏感なアプリケーションにとって特に重要です。香港のスタートアップが開発した全固体電池のプロトタイプでは、同じ容量の従来のリチウムイオン電池よりも30%小さいことが示されています。

全固体電池製造の主要技術。

固体電解質の調製:酸化物、硫化物、ポリマー

全固体電解質の調製は、全固体電池製造の中核技術の1つです。現在、3つの主流の固体電解質材料には、それぞれ長所と短所があります。

酸化物A: 熱安定性は高いですが、イオン伝導率は低いです。
硫化物:イオン伝導率は高いが、湿気に弱い。
ポリマー:加工性能は良好ですが、機械的強度が不十分です。

香港理工大学の研究チームは、酸化物と硫化物の利点を組み合わせたハイブリッド固体電解質を開発し、イオン伝導率は 10 です^-3S / cm、液体電解質のレベルに近い。

電極材料と固体電解質の間の界面問題

全固体電池の界面インピーダンスは、その性能に影響を与える重要な要素です。固体電解質と電極材料の間に液体電解質が浸透していないため、界面接触が不十分であるとバッテリーの内部抵抗が増加します。香港城市大学の研究者らは、ナノスケールの表面処理技術により界面インピーダンスを50%低減することに成功し、バッテリーの充放電効率を大幅に向上させた。18650 リチウム電池溶接

薄膜技術:エネルギー密度を高め、体積を削減

薄膜技術は、薄くて軽い全固体電池を実現するための鍵です。厚さわずか数ミクロンの固体電解質膜は、物理気相成長法(PVD)や化学気相成長法(CVD)などの方法で調製することができる。香港ナノ先端材料研究所が開発した薄膜技術は、全固体電池の厚さを0.5mm未満に制御することに成功しました。

バッテリーパッケージング技術: バッテリーの気密性と安定性の確保

全固体電池のパッケージング技術と伝統異。固体電解質は湿気や酸素に敏感であるため、バッテリーのパッケージは非常に気密性が高い必要があります。香港の電池メーカーは、レーザー溶接技術を使用して、空気漏れ率が 10 未満の全固体電池の完全密閉パッケージを実現しています^-8だから彼は³/s。

全固体電池製造における課題

固体電解質のイオン伝導率:イオン伝導率の向上

固体電解質の研究が進歩しているにもかかわらず、そのイオン伝導率は一般に液体電解質よりも低くなっています。香港科技大学の研究チームは、リチウムランタンジルコニウム酸化物(LLZO)に希土類元素をドーピングすることで、イオン伝導率を10に高めました^-3S / cmは商用アプリケーションの要件に近いです。

インターフェースインピーダンス:インターフェースインピーダンスを低減

インターフェースインピーダンスの問題も全固体電池にとって大きな課題です。香港大学の研究者らは、電極と電解液の間にナノスケールの遷移層を導入することで界面インピーダンスを効果的に低減し、バッテリーのサイクル寿命を 30% 延長する界面バッファ層技術を開発しました。

生産コスト:生産コストの削減と大量生産の実現

現在、全固体電池の製造コストは、主に材料費が高く、製造プロセスが複雑なため、従来のリチウムイオン電池の製造コストよりもはるかに高くなっています。香港生産性促進局のデータによると、全固体電池の製造コストは従来のリチウムイオン電池の約3倍です。そして技術の進歩と大規模生産の実現により、このギャップは徐々に縮まると予想されます。

全固体電池の応用展望

電気自動車: 航続距離と安全性の向上

全固体電池は電気自動車の「ゲームチェンジャー」と考えられています。香港電気自動車協会は、2030 年までに全固体電池により電気自動車の航続距離が 800 キロメートル以上に延長され、火災のリスクが大幅に軽減されると予測しています。テスラの香港支社は、将来のモデルに全固体電池技術を使用することを発表しました。

エネルギー貯蔵システム:電力網を安定させ、エネルギー利用率を向上させます

香港のような高密度都市では、送電網の負荷のバランスをとるためにエネルギー貯蔵システムが不可欠です。全固体電池は安全性が高く、寿命が長いため、エネルギー貯蔵用途に最適です。香港の大手電力会社2社が全固体電池エネルギー貯蔵システムのテストを開始し、予備結果では従来のリチウムイオン電池よりも効率が15%高いことが示されている。

ウェアラブルデバイス:小型化と軽量化

スマートウォッチやARグラスなどのウェアラブルデバイスでは、小型化と軽量化における全固体電池の利点が特に顕著です。香港のテクノロジー企業が開発した全固体電池モジュールは厚さわずか1mmですが、最大1週間のバッテリー寿命を提供でき、多くの国際ブランドから注文を受けています。

全固体電池が電池技術の未来をリード

全固体電池は、電池技術の将来の方向性を表しています。コストとプロセスの点で依然として課題に直面していますが、安全性、エネルギー密度、体積における利点は非常に貴重です。香港と世界の研究機関での継続的な進歩により、全固体電池は今後 5 年から 10 年以内に大規模な商業用途を実現し、エネルギーの貯蔵と利用の方法に革命をもたらす態勢が整っています。