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
リチウム電池, リチウムイオン電池としても知られるこの電池は、現代の電気化学的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（例えば、負極）と負極（例えば、負極）の間でリチウムイオンを可逆的に挿入・放出することです。 Li番目二酸化コバルトリチウム(LCO)、リン酸鉄リチウム(LiFePO₄)、または三元系材料(NMC/NCA)）と陽極（グラファイトやシリコンカーボン複合材など）の相互作用によって、これらの材料は革新的な利点を獲得しています。 超高エネルギー密度、長いサイクル寿命、急速充放電能力、低い自己放電率.
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
コア特性: 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、コスト効率の良さ、環境に優しい。
微細構造: 安定したリン-酸素共有結合構造により高い熱安定性が保証され、酸素の放出が最小限に抑えられ、燃焼や爆発のリスクが根本的に排除されます。
理想的な用途: 電動フォークリフト、高所作業車、重機、エネルギー貯蔵システム究極の安全性、長寿命、総所有コストが求められるあらゆるシナリオに対応します。
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 ケミストリーを使用したリチウム電池は最も最近ではなく、主に次の用途に使用されます。 電子製品 および モバイルアプリケーション、酸化コバルトカソード（正極）とグラファイトカーボンアノード（負極）で構成されています。
化学式： LiCoO₂（LCO）
コア特性: 高エネルギー密度、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、サイクル寿命が制限されます。
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 家電.
「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）
コア特性: 低コスト、比較的安全性が高く、レートパフォーマンスに優れています。
微細構造: マンガン資源は豊富ですが、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、高温での性能が急速に低下します。
最適な用途：低速電気自動車、電動工具、低予算の家庭用エネルギー貯蔵。 しばしば NCMとブレンド コストとパフォーマンスのバランスをとるためです。
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、この利点は欠点にもなり得ます。曲線が平坦であるため、電圧のみを読み取ると正しい値を判断することがより複雑になるからです。 SOC （充電状態）。
この制限を回避するには、 BMS バッテリーを管理するシステムは、適切な充電状態を提供し、可能な限り最良の方法でバランス機能を実行するスマートな方法で設計する必要があります。
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。
その他にもたくさんのグーグルの リチウム電池メーカー は現在、バッテリー内のコバルトの割合を減らそうとしているため、コバルトを含まない LFP 化学は大きな利点から始まります。
ほんの数年前とはいえ、 LFPバッテリー エネルギー密度が非常に低かったため、忘れ去られる運命にあったようです。 100 Wh / Kg、今日この技術
エネルギー密度が非常に大幅に増加し、灰から文字通り再出現しました。 170 Wh / Kg 自動車業界からの強い関心を呼び起こしました。
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
よりもわずかに低いコストで、より高いレベルの安全性を保証するため、車両 NMC化学 高性能車に使用されます。 好き テスラで、これも BYD, フォルクスワーゲン および他の多くの主要な自動車メーカーは現在、LFP 化学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。
この化学的性質により、最大で非常に高い比エネルギー 220〜240 Wh / kg 達成することができます。 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す。軽量で体積が小さくても大量のエネルギーを蓄えることができるからです。
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。
NMC111 (ニッケル 33.3% – マンガン 33.3% – コバルト 33.3%)
NMC622 (ニッケル 60% – マンガン 20% – コバルト 20%)
NMC811 (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 化学のバッテリーは、NMC バッテリーと並んで自動車部門でも使用されています。 それらの安全性評価は NMC よりわずかに低いですが、同時に非常に高いエネルギー密度を持ち、250 ～ 300 Wh/Kg に達します。 NCA セル構造は NMC 811 と非常に似ており、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くなっています。 エネルギー貯蔵容量が大きいため、NCA リチウム電池は、エネルギー密度、安全性、および安定性の妥協点を達成するために、NMC 化学物質と混合して使用されることがよくあります。
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.
少しかさばるバッテリーを使用することをお勧めしますが、最適な安全性を提供し、耐用年数が大幅に長くなります。 LGV や AGV など、集中的に使用され、3 時間絶え間なく稼働する必要がある車両があり、その結果、それらのバッテリーは 4 日に 4,000 ～ XNUMX 回の充電サイクルを実行することさえあります。 したがって、LFP ケミストリーは、XNUMX 回を超える再充電サイクルでそれらを簡単にサポートします。 定置用蓄電池が必要な場合、エネルギー密度はほとんど意味がなく、逆に電池のコストとライフサイクルが化学の選択の背後にある要素になります。 LFP 化学はその場所を見つけるでしょう。