リチウム電池技術の展望
三元ポリマーリチウム電池からリン酸鉄リチウムまで - 産業機器に最適な電池を正確に選択するにはどうすればよいでしょうか?
リチウム電池化学の核心：4つの主要正極材料
リチウムイオン電池としても知られるリチウム電池は、現代の電気化学エネルギー貯蔵における画期的な技術です。その基本的な動作原理は、正極（リチウムコバルト酸化物（LCO）、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）、または三元系材料（NMC/NCA）など）と負極（グラファイトやシリコンカーボン複合材料など）の間でのリチウムイオンの可逆的な挿入と脱離です。このメカニズムにより、超高エネルギー密度、長寿命、高速充放電能力、低自己放電率など、革新的な利点がもたらされます。
スマートフォンやノートパソコンのポータブル電源から電気自動車の堅牢な心臓部、そして大規模な送電網側エネルギー貯蔵システムから産業用車両や機械への用途拡大に至るまで、リチウム電池はエネルギー利用を大きく変革してきました。リチウム電池は、コンシューマーエレクトロニクス革命とグリーンエネルギーへの世界的な移行を推進する基盤技術となっています。
リン酸鉄リチウム - 堅牢な「耐久性の守護者」
化学式： LiFePO₄
主な特徴：最高レベルの安全性、非常に長いサイクル寿命、優れた電力性能、コスト効率、環境に優しい。
微細構造：その安定したリン-酸素共有結合構造は、高い熱安定性を確保し、酸素放出を最小限に抑え、燃焼や爆発のリスクを根本的に排除します。
理想的な用途：電動フォークリフト、高所作業車、重工業機器、エネルギー貯蔵システムなど、究極の安全性、長寿命、総所有コストが求められるあらゆるシナリオ。
LiFePO₄は業界のベンチマークです。当社は、高度なBMSにより低温性能とエネルギー計算精度を最適化し、その性能をさらに高めています。
リチウムコバルト酸化物（LCO） - 民生用電子機器のベテラン
LCO化学を用いたリチウム電池は最も古いもので、主に電子機器やモバイル機器に使用されており、酸化コバルト正極（正極）とグラファイトカーボン負極（負極）から構成されている。
化学式： LiCoO₂（LCO）
主な特徴：高いエネルギー密度、成熟した製造プロセス。
微細構造：コバルトは構造的な安定性をもたらしますが、コバルト含有量が多いとコストが高くなり、熱安定性が低下し、サイクル寿命が短くなります。
最適な用途：携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ、その他の家電製品。
「これはリチウム電池の商業化の始まりとなったが、安全性、寿命、コストの制限により、産業用電力用途にはまったく適さないものとなっている。」
LMO ケミストリーによるリチウム電池の組成と特性:
化学記号: LiMn₂O₄ (LMO)
主な特徴：低コスト、比較的良好な安全性、優れた料金性能。
微細構造：マンガン資源は豊富だが、マンガンイオンは電解液に容易に溶解するため、サイクル寿命が短くなり、高温性能が急速に劣化する。
最適な用途：低速電気自動車、電動工具、低価格家庭用エネルギー貯蔵システム。コストと性能のバランスを取るため、NCMと組み合わせて使用されることが多い。
LiMn₂O₄ (LMO) は経済的なソリューションを提供しますが、その寿命は限られているため、日常的に使用される重工業機器の厳しい要求を満たすのは困難です。
リチウム LFP 化学放電曲線
一方で、この利点は欠点にもなり得る。曲線が平坦であるため、電圧だけを読み取ると、正確なSOC（充電状態）を判断するのがより複雑になるからだ。
この制約を回避するためには、バッテリーを管理するBMSシステムを、適切な充電状態を提供し、バランス調整機能を可能な限り最適な方法で実行できるように、スマートに設計する必要がある。
この化学の多くの利点の XNUMX つは、すでに述べたように毒性があり、環境に最も影響を与える物質の XNUMX つであるコバルトがまったく含まれていないことです。
現在、多くのリチウムイオン電池メーカーは電池中のコバルト含有量を削減しようと努めているため、コバルトを含まないLFP（リン酸鉄リチウム）電池は大きな利点を持っている。
数年前までは、LFP電池はエネルギー密度が約100Wh/kgと非常に低かったため、忘れ去られる運命にあるように思われていたが、今日ではこの技術は
エネルギー密度が大幅に向上し、短期間で170 Wh/Kgに達したことで、文字通り灰の中から復活を遂げ、自動車業界から強い関心を集めている。
今後数年間で、重量密度が 220/230 Wh/Kg にさらに増加すると予想されています。これがまさに、多くの自動車メーカーが車両の電化のために LFP 化学を再導入することを決定した理由です。何よりもまず、現在それを使用しているテスラです。その「標準範囲」で
LFPは、高性能車に使用されるNMC系電池よりもわずかに低コストで、より高い安全性を保証できるため、自動車への応用が期待されています。テスラと同様に、BYD、フォルクスワーゲン、その他多くの主要自動車メーカーも、LFP系電池に大きな可能性を見出しています。
NMC ケミストリーを使用したリチウム電池の組成と特性:
ニッケル – マンガン – コバルト (LiNixMnyCozO2)
今日まで、NMC 化学を使用したバッテリーは、自動車部門で最も頻繁に使用されています。
この化学反応により、最大220～240 Wh/kgという非常に高い比エネルギーを実現できます。これは明らかに自動車にとって決定的な競争上の優位性であり、軽量かつ小型で大量のエネルギーを貯蔵することを可能にします。
他のリチウムベースの技術よりも多くのエネルギーを車両に搭載することができます。
NMC ケミストリーにはさまざまな種類があります。
NMC 111（ニッケル33.3％、マンガン33.3％、コバルト33.3％）
NMC 622（ニッケル60％、マンガン20％、コバルト20％）
NMC 811（ニッケル80％、マンガン10％、コバルト10％）
NCA ケミストリーによるリチウム電池の組成と特性:
ニッケル – コバルト – アルミニウム (LiNiCoAIO2)
NCA化学の電池は、NMC電池と並んで自動車分野でも使用されています。その安全性評価はNMCよりわずかに低いですが、同時に250～300Wh/kgという非常に高いエネルギー密度を持っています。NCAのセル構造は、ニッケル含有量が高く、コバルトとアルミニウム含有量が低いNMC 811の構造と非常によく似ています。NCAリチウム電池は、エネルギー密度、安全性、安定性のバランスを取るために、エネルギー貯蔵容量が高いため、NMC化学とのブレンドでよく使用されます。
LTOケミストリーによるリチウム電池の組成と特性
チタン酸リチウム (Li4Ti5O12)
まだほとんど言及されていない化学物質ですが、内部電圧が低く、機械的ストレスがないため劣化がほとんどなく、このサイクルの使用回数は 15,000 ～ 20,000 回に簡単に達するため、ライフサイクルに関しては非常に有望であるようです。 特に、自動車や非常に頻繁に使用される車両の電動化に使用できるという利点がありますが、現在のところ、その使用と普及を制限するいくつかの問題があります。
その弱点は 2:
低エネルギー密度 (177Wh/l) と重量密度 (60-70 Wh/Kg)、および 2.4 V または 2.8 V の低い公称電圧: これは、必要なバッテリー電圧を達成するために、より多くのセルを直列に接続する必要があることを意味します。 .
その現在の非常に高いコストは、少数の世界的な LTO セル メーカーに反映されています。
一方、その利点には、長寿命だけでなく、広い温度範囲、および高電力充放電に対する優れた感受性、つまり高い C-Rate (定格容量に対する電流の比率) が含まれます。
LTO テクノロジーの理想的な用途は、AGV (無人搬送車) などの大型アプリケーションです。24 時間年中無休で稼働する自動運転フォークリフトのフリートを想像してみてください。これらのトラックも、急速充電を利用してダウンタイムを短縮し、結果としてプラント効率を向上させます。
理論から実践へ: あらゆる用途に適したリチウム化学物質の使用
現在、さまざまな電化分野で最も広く使用されているリチウムベースの化学の 6 つの主なタイプを概説しました。 しかし、これらの化学が互いに競合していると考えてはなりません。 それらはすべて価値があり、高性能ですが、各リチウム化学物質はさまざまな使用分野で最適に機能します.
この図は、化学のさまざまな特性を次の観点から比較したものです。
● 比エネルギーまたは重量密度 [Wh/Kg]: 含まれるエネルギー量 (Wh = V x Ah) とバッテリーの重量の比率です。
● 安全性: 本質的な安全性はコンポーネントの熱安定性に大きく依存するため、熱安定性と密接に関連しています。
● C-レート: 充電/放電レート、つまり、充電または放電電流 (A) とセルの公称容量 (Ah) の比率。 これは、セルの発電能力に密接に関連するパラメーターです。
● ライフサイクル: セルが寿命に達するまでに放電および充電できる回数。通常、80% の残存容量に達した時点で考慮されます。
●費用
産業用LFPおよびLTOバッテリー
工業、農業、さらには特殊車両の電動化でも、特にバッテリーに負荷がかかる非常にサイクルの多いアプリケーションの場合は、耐用年数、信頼性、安全性が最も重視される LFP や LTO などの化学物質を使用することをお勧めします。最も重要な要件。
したがって、産業界では、過剰な性能やエネルギー密度が必須ではないのと同様に、スペースの問題はあまり制約になりません。 したがって、適切な化学物質の選択を評価する場合、安全性のより重要な要因が作用します。これは、ほとんどの人が妥協したくなく、妥協できる側面です.
多少大きくても、最適な安全性と大幅に長い耐用年数を備えたバッテリーの方が望ましい。LGVやAGVなどの車両は、集中的に使用され、24時間体制で稼働する必要があるため、バッテリーは1日に3～4回の充電サイクルを繰り返すこともある。LFPは4,000回以上の充電サイクル数を誇るため、こうした車両にも十分対応できる。定置型蓄電用のバッテリーが必要な場合、エネルギー密度はほとんど意味をなさず、むしろバッテリーのコストと寿命が化学組成の選択における重要な要素となる。その場合、LFPは最適な選択肢となるだろう。