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数週間前、クリスは私たちにソリッドステートバッテリーのトピックと、それがスマートフォンバッテリー技術の次の大きな進歩になるかもしれないことを紹介しました。要するに、ソリッドステートバッテリーはより安全で、より多くのジュースを詰めることができ、さらに薄いデバイスに使用することができます。残念ながら、現在中型のスマートフォンのセルに入れるのは非常に高価ですが、今後数年で変わる可能性があります。
そのため、ソリッドステートバッテリーとは何か、今日のリチウムイオンセルとはどのように違うのか疑問に思っている場合は、読み進めてください。
一般的に使用されるリチウムイオン電池と固体電池の重要な違いは、前者は液体電解液を使用して電流の流れを調整するのに対して、固体電池は固体電解質を選択することです。バッテリーの電解質は、アノードとカソード間の電流の流れを可能にする導電性の化学混合物です。
ソリッドステートバッテリーは現在のバッテリーと同じように機能しますが、材料の変更により、最大保存容量、充電時間、サイズ、安全性など、バッテリーの属性の一部が変わります。
電池内部の電流は導電性電解質を介してアノードとカソードの間を流れますが、短絡を防ぐためにセパレータが使用されます。
省スペース
液体から固体電解質に切り替えることの直接的な利点は、バッテリーのエネルギー密度が増加することです。これは、液体電池の間に大きなセパレータを必要とする代わりに、固体電池は短絡を防ぐために非常に薄い障壁のみを必要とするためです。
固体電池は、リチウムイオンの2倍のエネルギーを詰め込めます
従来の液体に浸したバッテリーセパレーターは、20〜30ミクロンの厚さで出荷されます。ソリッドステートテクノロジーでは、セパレータをそれぞれ3〜4ミクロンに減らすことができ、材料を切り替えるだけで約7倍のスペースを節約できます。
ただし、これらのセパレーターはバッテリー内の唯一のコンポーネントではなく、他のビットはそれほど収縮することができないため、固体バッテリーの省スペースの可能性に制限があります。
それでも、アノードをより小さな代替品と交換すると、固体電池はリチウムイオンの最大2倍のエネルギーを詰め込むことができます。
より長い寿命
固体電解質は通常、今日の液体またはゲルよりも反応性が低いため、より長く続くことが期待でき、2、3年後に交換する必要はありません。これは、これらのバッテリーが損傷したり、製造上の欠陥がある場合、爆発したり発火したりしないことを意味し、消費者にとってより安全な製品を意味します。
固体電池は、破損したり製造上の欠陥がある場合、爆発したり発火したりすることはありません。
現在のスマートフォンでは、同じ携帯電話を長年使用したいと考えている人たちにとって、交換可能なバッテリーが求められています。故障したバッテリーは交換できるからです。
スマートフォンのバッテリーは、1年ほど経っても充電が維持されないことが多く、数年使用するとハードウェアが不安定になったり、リセットされたり、動作しなくなったりすることさえあります。ソリッドステートバッテリーを使用すると、交換用のセルを必要とせずに、スマートフォンやその他のガジェットの寿命が長くなります。
1つだけでなく、バッテリーで使用できる固体化合物がたくさんあります。
ただし、液体電池と固体電池の話は、1つだけではなく、電池で使用できる固体化合物がたくさんあるため、主題を単純化しすぎています。
固体電解質の種類
固体電池には8つの主要なカテゴリがあり、それぞれが異なる材料を電解質に使用しています。これらは、Li-Halide、ペロブスカイト、Li-Hydride、NASICONライク、ガーネット、アルギロダイト、LiPON、LISICONライクです。
私たちはまだ新しい技術に取り組んでいるので、研究者はさまざまな製品カテゴリに使用するのに最適な種類の固体電解質を把握しています。まだ明確なリーダーとして出てきたものはまだありませんが、硫化物ベース、LiPON、およびガーネットのセルが現在最も有望であると見なされています。
これらのタイプの多くはまだリチウム電極を使用しているため、いくつかの点でまだリチウム（Li）ベースであることに気付くでしょう。しかし、多くは性能を改善するために新しいアノードおよびカソード電極材料を選択しています。
薄膜電池
ソリッドステートバッテリータイプの中にも、薄膜とバルクの2つの明確なサブタイプがあります。すでに市場に出回っている最も成功した薄膜タイプの1つはLiPONであり、これはほとんどのメーカーがリチウムアノードで生産しています。
LiPON電解質は優れた重量、厚さ、さらには柔軟性を備えており、小型セルを必要とするウェアラブル電子機器やガジェットに適したセルタイプです。 LiPONは、長寿命のセルのテーマに戻ると、40,000回の充電サイクル後にわずか5％の容量低下で優れた安定性も実証しています。
LiPONバッテリーは、交換が必要になるまで、Liイオンバッテリーの40倍から130倍の寿命があります。
比較のために、リチウムイオン電池は、容量が同様またはそれ以上に低下するまで300〜1000サイクルしか提供していません。つまり、LiPONバッテリーは、交換が必要になる前に、Liイオンバッテリーの40倍から130倍長持ちします。
LiPONの欠点は、その総エネルギー貯蔵容量と伝導率が比較するとかなり低いことです。しかし、代替のソリッドステートバッテリーテクノロジーは、スマートウォッチのバッテリー寿命を延ばす鍵となり、現在、多くの顧客がウェアラブルを手に入れることを延期しています。
より大きくてかさばるバッテリー
これまでのところ、固体バッテリーは、ラップトップや電気自動車はもちろんのこと、スマートフォンやタブレットに見られる大きなセルにはまだ適していません。より大きな容量を備えたより大きなバルク固体電池には、液体電解質に近いまたはそれに匹敵する優れた導電性が必要です。これは、LiPONのような有望な技術を排除します。イオン伝導は、イオンが材料内を移動する能力を測定します。良好な伝導は、必要な電流を確保するためのより大きなセルの要件です。
LISICONとLiPSは、固体分野の先駆者であるLiPO、LiS、およびSiSバッテリーの研究を追い越しました。ただし、これらのタイプは、室温での有機および液体電解質よりも導電率が低いため、市販製品では実用的ではありません。
高導電性
これは、室温で高いイオン伝導性を誇るため、ガーネット酸化物（LLZO）電解質の研究が行われる場所です。
この材料は、液体リチウムイオン電池の結果よりもわずかに遅れる伝導を達成し、LGPSの新しい研究により、この材料がそれに匹敵する可能性さえあることが示唆されています。
これは、現在のリチウムイオン電池とほぼ同等の電力と容量の固体電池を意味しますが、サイズの縮小や長寿命などの利点が現実のものとなります。
ガーネットは空気および水でも安定しているため、Li-Airバッテリーにも適しています。残念ながら、高価な焼結プロセスを使用して製造する必要があります。
これにより、現在、低価格のリチウムイオン電池と比較した場合、消費者向けバッテリーでの使用には魅力のない提案となっています。将来的には、製造技術が洗練されるにつれてコストが低下する可能性がありますが、私たちはまだ商業的に実行可能な固体電池からいくらか離れています。
要約
明らかに、固体電池技術に関する多くの進行中の研究がまだあります。最も初期の予測によると、成熟した細胞がさらに4、5年はスマートフォンなどの消費者製品に浸透することはありません。ただし、他のデバイス（ドローンなど）の固体バッテリーは、来年すぐに登場する可能性があります。
それでも、最新の研究は最終的に、固体電解質の利点を提供しながら、属性の点で既存のリチウムイオン電池と競合できる結果を生み出しています。私たちが必要とするのは、製造プロセスが成熟することだけであり、これを実現するためのリソースを備えた多くの大規模で今後のバッテリーメーカーがあります。
要約すると、消費者の観点からのこれらすべての化学物質の違いの主な利点は、最大6倍高速充電、最大2倍のエネルギー密度、2と比較して最大10年の長いサイクル寿命、および可燃性成分なしです。それは確かに、スマートフォンやその他の携帯機器にとって恩恵になるでしょう。
