[論文レビュー] A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies

Andrew Ulvestad|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2018

Advanced Battery Materials and Technologies参考文献 57被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、現在のリチウムイオン電池（LIB）技術をレビューし、新興の固体電池（SSB）システムを評価している。主に硫化物、ポリマー、酸化物系固体電解質に焦点を当てている。結論として、SSBはリチウム金属負極の使用を可能にすることで、エネルギー密度を向上させる可能性を有するが、現時点では最先端の液体電解質を搭載したLIBの性能に到達できていない。また、産業界の関心が高まっているものの、商業化は依然として困難である。

ABSTRACT

Solid state battery technology has recently garnered considerable interest from companies including Toyota, BMW, Dyson, and others. The primary driver behind the commercialization of solid state batteries (SSBs) is to enable the use of lithium metal as the anode, as opposed to the currently used carbon anode, which would result in ~20% energy density improvement. However, no reported solid state battery to date meets all of the performance metrics of state of the art liquid electrolyte lithium ion batteries (LIBs) and indeed several solid state electrolyte (SSE) technologies may never reach parity with current LIBs. We begin with a review of state of the art LIBs, including their current performance characteristics, commercial trends in cost, and future possibilities. We then discuss current SSB research by focusing on three classes of solid state electrolytes: Sulfides, Polymers, and Oxides. We discuss recent and ongoing commercialization attempts in the SSB field. Finally, we conclude with our perspective and timeline for the future of commercial batteries.

研究の動機と目的

• 液体電解質を用いたリチウムイオン電池（LIB）技術の現状を、性能、コストトレンド、今後の開発路線の観点から評価すること。
• 従来のLIBに代わる次世代技術としての固体電池（SSB）の可能性を評価すること。
• 硫化物、ポリマー、酸化物の3つの主な固体電解質クラスを焦点に、その物性および技術的課題を分析すること。
• トヨタ、BMW、ダイソンなどの主要企業によるSSB分野における商業化の取り組みを検討すること。
• 固体電池の将来の商業的実現可能性について、現実的なタイムラインと視点を提示すること。

提案手法

• リチウムイオン電池技術および固体電解質材料分野における最近の文献および発展事項の体系的レビュー。
• イオン伝導度、安定性、加工性に基づいて、3つの主要な固体電解質タイプ（硫化物、ポリマー、酸化物）を分類・分析すること。
• 液体電解質を用いたLIBと報告されたSSBプロトタイプとの間で、エネルギー密度、サイクル寿命、レート特性といった性能指標を比較評価すること。
• 自動車および電子機器メーカーによる産業分野のR&D活動およびパイロットスケールの商業化試みをレビューすること。
• 技術的および材料的課題に基づき、SSB商業化の現実的なタイムラインを予測するため、研究結果を統合すること。
• 学術論文および業界レポートのデータを活用して、各SSB技術ルートの実現可能性と制限要因を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体電解質を用いた最先端のリチウムイオン電池の主な性能特性と制限要因は何か？
• RQ2 具体的に硫化物、ポリマー、酸化物系固体電解質は、液体電解質を搭載したLIBに匹敵する性能と安定性を実現できるか？
• RQ3 強力な産業界の関心があるにもかかわらず、固体電池の商業化を阻害する主な技術的および材料的課題は何か？
• RQ4 トヨタ、BMW、ダイソンなどの企業による最近の商業化取り組みは、技術的アプローチおよび予想タイムラインの観点でどのように比較できるか？
• RQ5 電気自動車やその他の応用分野における固体電池の広範な商業導入に、現実的なタイムラインはいつごろとなるか？

主な発見

• 固体電池（SSB）は、炭素負極の代わりにリチウム金属負極を可能にすることで、エネルギー密度を約20％向上させる可能性を有する。
• 現時点で報告された固体電池は、サイクル寿命およびレート特性の観点で、最先端の液体電解質を搭載したリチウムイオン電池のすべての性能指標を満たしていない。
• 硫化物系固体電解質は高いイオン伝導度を示すが、化学的不安定性および湿気に対する安全性の懸念が課題である。
• ポリマー系電解質は優れた加工性と柔軟性を有するが、室温でのイオン伝導度が低く、実用的利用に制限を受ける。
• 酸化物系固体電解質は良好な安定性と中程度のイオン伝導度を示すが、破壊性が高く、薄く密度の高い層への加工が困難である。
• 材料的および界面的課題が未解決のため、SSBの商業化は遅れが続いており、2030年以前に広範な採用に至る明確な道筋は見えない。