[論文レビュー] Comparing the suitability of Lithium ion, Lithium Sulfur and Lithium air batteries for current and future vehicular applications

Gorazd Lampič, Gorazd Gotovac+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Advanced Battery Technologies Research参考文献 47被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、走行サイクルデータを用いて車両タイプごとの性能要件をモデル化し、リチウムイオン（Li-ion）、リチウム硫黄（Li-S）、リチウム酸素（Li-O2）電池の現在および将来の車両用途における評価を実施する。その結果、現在のLi-ion電池は比エネルギーおよびコストにおいて不足しているが、完全に実現されたLi-SおよびLi-O2技術は将来的な要件を満たせる可能性があるものの、サイクル寿命、安定性、スケーラビリティに関する顕著な課題が依然として解決されていないことが判明した。

ABSTRACT

In this report, future performance demands of batteries for various vehicular applications are modeled. Vehicles ranging in size from electric bikes to heavy trucks are assessed using driving cycle data which allows key performance parameters such as desired range (km), specific energy of the battery (Wh/Kg), cycle life requirement and expected price per unit capacity (Euro/kWh) to be calculated. These projected performance requirements are compared with the outputs for three existing Li-ion batteries (namely (a) Kokam based high specific energy source (b) A123 based high power energy source and (c) Winston low cost system). The theoretical, current state of the art and projected performance parameters for 'beyond Li-ion' technologies (Li-S and Li-O2) are also compared to the modeled battery performance demands. The analysis indicates that current battery technologies are unlikely to meet future requirements in terms of required specific energies and will likely be too costly. In comparison, fully realized beyond Li-ion alternatives may deliver the required specific energy for the full range of vehicles examined. However, scale-up of these systems is a daunting challenge and their successful implementation will depend on improvements in terms of cycle life, electrode and electrolyte stability, rate performance and development of practical battery architectures.

研究の動機と目的

• 電動自転車から大型トラックに至る多様な車両向けに、将来のバッテリ性能要件をモデル化すること。
• 現在のLi-ionバッテリ技術が、比エネルギー、サイクル寿命、コストの各面で将来の需要を満たせるかどうかを評価すること。
• 新興のLi-ionを超える技術、すなわちリチウム硫黄およびリチウム酸素電池の、これらの将来の要件に対する潜在的可能性を評価すること。
• Li-SおよびLi-O2システムのスケーラビリティおよび実用的実装を制限する主な技術的障壁を特定すること。

提案手法

• さまざまな車両タイプの走行サイクルデータを分析し、走行距離、比エネルギー（Wh/kg）、サイクル寿命、kWhあたりのコストといった必要なバッテリパラメータを導出する。
• 3つの代表的な現在のLi-ionバッテリシステムを評価した：高比エネルギー（Kokamベース）、高出力（A123ベース）、低コスト（Winstonベース）のバリエーション。
• Li-SおよびLi-O2電池の理論的、最先端、予測された性能指標を収集し、モデル化された車両要件と比較した。
• 比エネルギー、サイクル寿命、kWhあたりのコストといった定量的指標を用いて、現在および予測されたバッテリ技術と性能要件をベンチマークした。
• 車両カテゴリごとの比較分析を実施し、全範囲の応用分野における技術的適合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のLi-ionバッテリ技術は、全車両サイズにわたり、将来の比エネルギー、サイクル寿命、コスト要件を満たすことができるか？
• RQ2 リチウム硫黄およびリチウム酸素電池は、多様な車両用途における将来の性能要件をどの程度満たすことができるか？
• RQ3 特にサイクル寿命、電極安定性、電解質劣化といった要因によって、Li-ionを超えるバッテリシステムのスケーラビリティが妨げられている主な技術的制限要因は何か？
• RQ4 電気自動車の性能目標は、異なる車両クラスによってどのように異なるのか。また、これにはバッテリ技術選定にどのような意味があるのか？

主な発見

• 現在のLi-ionバッテリ技術は、将来的な比エネルギー要件を満たせていない。特に、重貨物および長距離走行用車両において顕著である。
• 高比エネルギーのKokamベースLi-ionシステムは約250 Wh/kgに達するが、長距離電気トラックに必要な予測される400–500 Wh/kgには届かない。
• リチウム硫黄およびリチウム酸素電池は、それぞれ理論的に最大500–600 Wh/kgおよび1000 Wh/kgの比エネルギーを有し、将来的な応用分野における有望な候補である。
• サイクル寿命はLi-SおよびLi-O2システムにとって依然として深刻なボトル neck であり、現在のプロトタイプでは数十～数100サイクル程度にとどまり、商業的実用性に必要な1,000+サイクルには遠い。
• 電極および電解質の不安定性に加え、低いレート性能が、理論的エネルギー密度が高いために実用的導入が制限されている。
• 現在のLi-ionシステムのkWhあたりコストは依然として目標の€100/kWhを超えている。Li-SおよびLi-O2はコスト低減が見込めるが、大規模な製造における課題が依然として存在する。