リチウムバッテリー材料：種類、特性、開発動向

リチウム電池の重要性と用途

リチウム電池は、現代技術の中核エネルギー源として、家庭用電化製品、電気自動車、エネルギー貯蔵システムなどの分野で広く使用されています。エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長く、軽量であるため、従来の鉛蓄電池の代替品として好まれています。香港環境保護局によると、香港の電気自動車市場の普及率は2022年に15%に達し、90%以上がリチウム電池技術を使用しており、地元市場での人気を示しています。

リチウム電池の性能は、正極と陽極から電解液とセパレーターに至るまで、材料の正確な構造に依存し、各リンクの設計はバッテリーの容量、安全性、コストに直接影響します。たとえば、正極材料の選択によってバッテリーのエネルギー密度が決まり、負極材料の安定性はサイクル寿命に関係します。この精密な構造とバッテリー性能との相関関係が中心的な問題です。電池製造産業応用

正極材料

正極材料はリチウム電池の最も重要なコンポーネントの 1 つであり、電池の電圧、容量、安全性に直接影響します。ここでは、いくつかの主流の正極材料の詳細な分析を示します。

コバルト酸リチウム(LCO)

LCO は、高電圧 (3.7V) と高エネルギー密度を備えた最も初期の市販のリチウム電池正極材料であり、携帯電話やラップトップで広く使用されています。ただし、その欠点には、コストが高い(コバルト価格の変動が大きい)、熱安定性が低い、資源の不足などがあります。香港市場の家庭用電化製品の約 70% は依然として LCO バッテリーを使用していますが、電気自動車の分野での用途は徐々に置き換えられています。

リチウムマンガン酸化物(LMO)

LMOの利点は、安全性が高く、コストが低く、マンガン資源が豊富であることです。スピネル構造は優れたレート性能を提供し、電動工具などの高出力を必要とする用途に適しています。ただし、LMO はエネルギー密度が低く (約 140mAh/g)、サイクル寿命が短いため、ハイエンド市場での開発が制限されています。

リン酸鉄リチウム (LFP)

LFP は、優れた熱安定性と長いサイクル寿命 (最大 2000 サイクル) により、電気バスやエネルギー貯蔵システムに適しています。エネルギー密度(約160mAh/g)はNCMやNCAよりも低いですが、高温環境下では特に安全上の利点が顕著です。香港の電気バス車両の 60% 以上が LFP バッテリーを使用しており、安全性の高いシナリオでの適合性を反映しています。

鎳鈷錳酸鋰 (NCM) 與鎳鈷鋁酸鋰 (NCA)

NCM と NCA は現在、エネルギー密度が最も高い正極材料であり (NCM811 は 200mAh/g 以上に達する可能性があります)、ハイエンドの電気自動車に広く使用されています。 NCA はアルミニウムを使用しているため熱安定性は優れていますが、コストが高くなります。 NCM は、ニッケル、コバルト、マンガンの比率を調整することで、性能とコストのバランスをとります。テスラモデル 3 に使用されている NCA バッテリーと BYD Han が使用する NCM622 バッテリーは、この 2 つの典型的な代表です。

材料の種類	エネルギー密度(mAh/g)	価値	短所
LCOの	160-180	高電圧と成熟した技術	高コストで安全性が低い
LFPの	140-160	高い安全性と長寿命	低エネルギー密度
NCM811	200-220	高エネルギー密度	熱安定性が低い

負極材料

負極材料は主にリチウム電池の充放電率とサイクル寿命に影響を与えます。現在の主流のオプションには、グラファイト、チタン酸リチウム (LTO)、シリコンベースの材料が含まれます。

石墨

グラファイトは、その高い導電性と安定した層状構造により、アノード市場の90%以上を占めています。理論容量は372mAh/gで安価です。ただし、グラファイトは急速充電中にリチウム樹枝状突起が発生しやすく、安全上の問題を引き起こす可能性があります。香港の急速充電ステーションにおけるバッテリー故障の約30%は、グラファイト陽極の劣化に関連しています。精密構造電池性能

チタン酸リチウム(LTO)

LTO の「ゼロひずみ」の性質により、10,000 サイクルを超えるサイクル寿命を実現でき、非常に安全です。ただし、エネルギー密度はわずか 175mAh/g で、コストが高く、主に特定のシナリオ (グリッドエネルギー貯蔵など) で使用されます。東芝のSCiBバッテリは、LTOアプリケーションの典型的なケースです。

シリコン系材料

シリコンの理論容量(4200mAh/g)はグラファイトの10倍以上であり、次世代の負極材料とされています。しかし、体積膨張率は300%にも達し、構造破壊を引き起こします。現在のソリューションにはナノシリコン炭素複合材料が含まれており、テスラは 4680 バッテリーに 5% のシリコンを混合してエネルギー密度を 15% 向上させました。

電解液とダイヤフラム

リチウムイオン伝導媒体として、電解液の安定性はバッテリーの安全性に直接関係します。従来の液体電解質は、リチウム塩(LiPF6など)、有機溶媒(EC/DMC)、添加剤で構成されていますが、可燃性が顕著です。固体電解質(LLZO、硫化物など)はこの問題を根本的に解決できますが、界面インピーダンスと量産コストは依然として障害となっています。

セパレーターは、イオン透過性と機械的強度の両方を備えている必要があります。 PP/PE単層フィルムはコストが最も低くなりますが、耐高温性は劣ります。セラミックコーティングされた複合フィルムは安全性を向上させることができ、香港科学技術大学チームによって開発されたAl2O3コーティングされたセパレーターは、地元の電気自動車のバッテリーパックに適用されています。

開発動向

高鎳正極NCM811とNCAのニッケル含有量は90%に増加し、エネルギー密度は300Wh / kgを超えました
全固体電池:トヨタ、熱暴走問題解決のため、2025年に全固体電池を量産する計画
リサイクル技術: 香港政府が資金提供する「リチウム電池グリーンサイクル」プロジェクトは、2030年までにリサイクル率80%を達成することを目指しています

リチウム電池材料の革新は、精密構造の最適化から統合へのエネルギー転換を促進し続け、今後 10 年間でエネルギー密度を 2 倍にし、コストを 50% 削減するという画期的な進歩を達成することが期待されています。