自動車用電池の分野で鉛蓄電池に置き換わるリチウム電池の展望分析

鉛蓄電池は現在、自動車のSLIの主な電源であり、他にも多くの用途があります。 鉛蓄電池の代わりにSLI電池としてのリチウム電池の利点は、主にその長寿命とより高いエネルギー密度にあります。 安全性の観点から、車両での制限材料の使用に関する新しいヨーロッパのバッテリー規制、ならびにコスト、設計、およびテスト仕様が考慮されています。 2つのバッテリーのライフサイクルとリサイクルも考慮されます。

1.バッテリーの交換

長年にわたり、鉛蓄電池の化学的性質と製造基準は、完全に新しい電池システムを再設計しようとするのではなく、添加剤を調整し、既存の製造プロセスを改善することによって、新しい電力要件と課題に比較的迅速に適応してきました。 1960年代には、鉛蓄電池の耐用年数は約3年でしたが、2015年までに、電力とアプリケーションの要件が増えるにつれて、バッテリーは5年以上も持続する可能性があります。

鉛蓄電池は、主に低温ICE始動に必要な大電流、高温サイクル耐久性、比較的高い安全性、および比較的低コストに対応できるため、市場シェアを維持しています。 この市場への参加を計画している場合、これらは新しいバッテリー技術が直面しなければならない課題です。 近年、化学および製造の面でのリチウム電池の安定性が大幅に改善され、コストが継続的に削減され、性能が継続的に改善されています。 広い意味で、鉛蓄電池と比較して、リチウムイオンSLI電池の現在の主な利点は、その高いエネルギー密度と長寿命です。

リチウムイオンSLIバッテリーは、既存の鉛蓄電池と同様の性能を備えており、リチウムイオンSLIバッテリーの安定性を評価するために追加のテストが導入されています。 過充電保護、クラッシュまたはパンクタイプの破壊試験、連続的な低温放電および充電、リチウム堆積の影響の評価などの厳格な安全対策を含みます。

2.リチウムイオン電池の安全設計

リチウムイオンSLIバッテリーの開発における主な課題は、バッテリーが乱用または経年劣化した状態でどれだけ安全であるか、そして熱暴走が発生するかどうかです。 この状況を防ぐために多くのテストが実施されましたが、すべての状況が予測できるわけではありません。 事故により車内に過度の損傷が発生し、外部または内部の火災によりバッテリーが焼損する可能性があるため、損傷したバッテリーがそれ以上火花を発生させないように予防措置を講じることで、事故。 さらに、バッテリーの固有の要因は、バッテリーの経年劣化によって発生する可能性のある内部短絡（ISC）です。 リチウムデンドライトの形成などのいくつかの一般的な条件は、ダイヤフラムを貫通して短絡を引き起こします。これにより、ダイアフラムが熱によって収縮し、大面積の短絡が発生します。 標準化されたバッテリーテストのもう1つの課題は、リチウムイオンバッテリーの外部構造が円筒形、ポーチ（ソフトパック）、または正方形にできることです。 したがって、バッテリーの種類ごとに異なる機械的テスト手順が必要です。 これらの手法は、安全性テストとリチウムイオンSLIバッテリーの相関関係を理解するために使用できます。

3.SLIバッテリーの設計

SLI電池の設計では、さまざまな電極材料と電池の組み合わせから選択できます。 ただし、全体のバッテリー電圧が通常の12Vに制限されている場合は、この場合、既存の鉛蓄電池を交換することができます。 現在、直列に接続された少数のバッテリーのみが正しいバッテリー電圧に達することができます。

12Vに近いバッテリ電圧を取得するための要件に加えて、消費者市場での容易な入手可能性などの他の要因を考慮する必要があります。 標準の鉛蓄電池と比較して、これらの材料はコスト競争力のあるSLI電池を作ることができます。 リチウムイオン電池の正極材料は、層状、スピネル、かんらん石のタイプに分けることができます。 アノード材料は主にカーボンです。 正しい電池電圧と電力容量を提供するために陰極と陽極の材料の適合性を考慮することに加えて、リチウムイオン電池の最初の3つの重要なコンポーネントはその電解質です。 ほとんどの市販の電池では、有機液体電解質が可溶性リチウム塩と一緒に使用され、必要なリチウムイオン伝導性を提供できます。 現在使用されている最も一般的な塩はLiPF6です。

BEVでは、12 VリチウムイオンSLIバッテリーを使用して、車両が運転していないときに車両&＃39;の車載電子システムを維持できます。 このアプリケーションでの鉛蓄電池の使用は、通常は高電力用に設計されており、深い低電流放電のアプリケーションシナリオに必ずしも適しているとは限らないため、理想的ではありません。 この点で、リチウムイオンSLIバッテリーは、鉛蓄電池の欠点を補うだけです。

4.バッテリーバランスおよびバッテリー管理システム（BMS）の設計

鉛蓄電池とは異なり、リチウムイオン電池技術の課題は、95％に近い高い再充電効率を持ち、電池電圧ウィンドウ内で厳密に動作する必要があることです。 リチウムイオン電池を直列に組み立てて充電すると、電池の電圧ウィンドウの外側に簡単にドリフトし、活物質が不可逆的な相変化を起こし、電解質が分解し始める可能性があります。 これにより、バッテリーの内部抵抗が増加し、バッテリーのアンバランス効果が増加します。 したがって、個々のバッテリーパックのバッテリー管理と監視はリチウムイオンモジュールの標準的な手法になり、通常はバッテリーボックスのハウジングに組み込まれています。 市場には多数のBMSシステムがあり、その多くは特定のリチウムイオン電池の化学物質に合わせてカスタマイズされています。 最も簡単で費用効果の高い充電方法は、シリーズバッテリーパックの充電を制限することです。 より良い方法は、バッテリーが上限電圧に達したときにバッテリー間でエネルギーを再分配できるようにすることです。これにより、単一のバッテリーが過充電されて安全上の問題が発生するのを防ぎます。

5.バッテリーのコスト

既存の技術と比較して、リチウムイオンSLIバッテリーの主な課題の1つは、消費者に競争力のある価格を提供することです。 研究者たちは、リチウムイオン電池の製造におけるバリューチェーンの問題を研究するために一生懸命取り組んでいます。 現在、バッテリーコストの約60％は、集電体、セパレーター、バッテリーケーシングなどの不活性材料で構成されていると考えられています。 追加コストは、固体電解質中間相（SEI）から発生します。 ）形成プロセスに費やされた時間とエネルギー。

6.ポリシーと法律

テクノロジーの主な推進力には、通常、健康と安全に関連する特定の国内および国際的な政策が伴い、その後に法律が制定されます。 これらは通常、人間と環境に有害であると考えられている特定の化学物質または化学アクセサリーの使用を伴います。 特にこれらの有害物質を車両に使用する場合、その設計コンセプトは& quot;グリーンリサイクル& quot;を達成できる必要があります。つまり、さまざまな材料を再利用、リサイクル、または安全に廃棄できるように分解できる必要があります。環境に汚染を引き起こすことなく。

7.規格と仕様

何十年にもわたって、車両用のSLIバッテリーを含む、ほぼすべてのバッテリーアプリケーションの性能と安全性に適応するための仕様と規格が登場し、徐々に開発されてきました。 一方、特定の国または地域の法律は、通常、コミュニティと環境の安全と健康に直接影響を与える特定の要件を扱うときに、基準を参照することができます。 米国アドバンストバッテリーアライアンス（USABC）は、米国エネルギー省（DoE）向けのバッテリーテストマニュアル（リビジョン2）をまとめました。

8.バッテリーのリサイクル

現在、リチウムイオン電池のリサイクルに一定の強みを持つ会社。

以上のことから、一部の大企業は、確立されたリチウムイオン電池の産業規模のリサイクルプロセスに積極的に参加しています。 新興のリサイクル産業のリサイクル能力は、今後7年から10年で少なくとも5倍に増加するでしょう。

9.結論と展望

この記事では、鉛蓄電池をリチウムイオン電池に交換するいくつかの要因を要約します。これは、今後数年間で段階的に行われる予定です。 再生可能エネルギーシステムストレージの大量使用に伴い、鉛蓄電池の使用は増え続け、リチウムイオンSLIバッテリーの焦点は、ヨーロッパにある中高級ICE車両で使用されます。アジアと米国にあります。 多くの小型で安価なICE車両では、バッテリーの交換コストが常に決定的な要因となるため、鉛蓄電池が引き続き使用されます。 さらに、世界の消費者市場は、& quot;サーキュラーエコノミー& quot;の使用を増やすでしょう。 原材料のリサイクルを増やしながら環境廃棄物の削減に焦点を当てる製品。 リチウムイオン電池のリサイクルはまだ始まったばかりですが、中国、日本、その他の国々はすでに大きな取り組みを行っています。 米国、オーストラリア、ヨーロッパ諸国はすべて、リチウムイオン電池の材料をリサイクルする新しい機能を実証しています。 これらのリサイクルプロセスは、今後5〜5年で行われます。 10年で完璧です。