バッテリーの大きな進歩には有望なテクノロジーが搭載されています

新しい水熱合成法により、今日のカソード (左) で一般的であるものよりも均一で丸く、密に詰まった粒子 (右) を備えたコバルトフリーのカソード材料が製造され、バッテリーの充電サイクル全体にわたってより高い安定性が維持されます。 イラスト提供：オークリッジ国立研究所

この高速磁気駆動モーターにより、ネオジムなどの希土類材料の使用量が大幅に削減されます。 写真提供：ニューサウスウェールズ大学

この画像は、リチウム硫黄電池セルで 500 回の充放電サイクル後の多孔質硫黄含有中間層の微細構造と元素マッピング (シリコン、酸素、硫黄) を示しています。 イラスト提供：アルゴンヌ国立研究所

オークリッジ国立研究所 (ORNL) のエンジニアは、リチウムイオン電池に使用する、より優れた、より安価な正極を製造するための新しいプロセスを開発しました。 これにより、毒性の低い材料を使用し、より迅速で無駄の少ないプロセスで、より手頃な価格のバッテリーを製造する方法が可能になります。

従来の処理には多くの課題があります。 大きな障害の一つは、海外で採掘・精製されたレアメタルであるコバルトへの依存だ。

カソードに一般的な他の金属のバランスによっても、製造プロセスが長くなり、より危険になる可能性があります。 たとえば、ニッケル濃度が高いため、腐食反応のために大量のアンモニアを必要とする化学混合法がカソード製造に広く使用されています。 この有毒化学物質を使用すると、コストが増加し、健康と環境への懸念が高まり、酸性度を下げるために大量の水を無駄にします。

新しい ORNL 法では、反応器内でカソード材料を化学薬品とともに継続的に撹拌する代わりに、水熱合成アプローチを使用します。 エタノールに溶解した金属を使用してカソードを結晶化します。 エタノールはアンモニアよりも保管や取り扱いが安全で、その後は蒸留して再利用できます。

「この新しいプロセスは、環境への負担を軽減しながら、正極産業をよりクリーンでコスト競争力のある生産に移行させるという重要な利点を提供します」と、ORNL のこのプロジェクトの主任研究員であるイリアス・ベルハルアク博士は述べています。

水熱合成法はさらに高速です。 粒子を作成して次のカソードバッチを準備するのに必要な時間は、数日から 12 時間に短縮されます。

「さらに、生成される材料は、カソードとして理想的な、より均一で丸く、密に詰まった粒子を持っています」と ORNL 主任研究員の Rachid Essehli 氏は説明します。 「その特性は今日のコバルトベースの正極と似ているため、この新しい材料は既存の電池製造プロセスにシームレスに統合できます。この正極材料はより多くのエネルギーを供給し、電気自動車用電池のコストを削減できます。」

新しい水熱合成法により、今日のカソード (左) で一般的であるものよりも均一で丸く、密に詰まった粒子 (右) を備えたコバルトフリーのカソード材料が製造され、バッテリーの充電サイクル全体にわたってより高い安定性が維持されます。 イラスト提供：オークリッジ国立研究所

ニューサウスウェールズ大学 (UNSW シドニー) の技術者は、ネオジムなどの希土類材料の使用を大幅に削減する磁気駆動モーターを開発しました。 この高速デバイスは電気自動車の航続距離を延ばす可能性を秘めています。

韓国最長の鉄道橋の形状からインスピレーションを得たプロトタイプの内部永久磁石同期モーター (IPMSM) の設計は、毎分 100,000 回転の速度を達成しました。 このモーターによって達成される最大出力と速度は、積層型 IPMSM の既存の高速記録を上回り、これまでに商業化された積層型材料で構築された世界最速の IPMSM となっています。

モーターは非常に高い出力密度を生成できるため、EV にとって全体の重量が軽減され、一定の充電での航続距離が伸びるという利点があります。

IPMSM にはローター内に磁石が埋め込まれており、拡張された速度範囲で強力なトルクを生成します。 しかし、既存の設計では、ローター内の薄い鉄ブリッジにより機械的強度が低くなり、最大速度が制限されます。

UNSW デバイスは、堅牢性を大幅に向上させる新しいローター トポロジーを備えていると同時に、発電単位当たりの希土類材料の量も削減します。 これは、二重結合アーチ構造である行浦鉄道橋の工学的特性と、複合曲線ベースの機械的応力分散技術に基づいています。

「電気自動車のトレンドの 1 つは、より高速で回転するモーターを搭載することです」と UNSW の電気工学専門家 Guoyu Chu 博士は言います。 「どのEVメーカーも高速モーターの開発に努めています。その理由は、物理法則の性質により、その機械のサイズを縮小できるからです。また、機械が小型化すると、重量も軽くなり、エネルギー消費も少なくなります。つまり、電気自動車の製造業者は、高速モーターの開発に努めています。」したがって、車両の航続距離が長くなります。

「この研究プロジェクトでは、1 キログラムあたり約 7 キロワットのピーク電力密度で絶対最大速度を達成しようとしました」と Chu 氏は説明します。 「EVモーターの場合、実際には速度を若干落とすことになりますが、それにより出力も増加します。

「一定の範囲内でパワーとスピードを提供するために、スケールと最適化が可能です」と Chu 氏は主張します。 「たとえば、最大速度約 18,000 rpm の 200 キロワットのモーターは、EV アプリケーションに最適です。」

Chu 氏によると、新しいモーターは既存の技術に比べてコスト面でも大幅なメリットがあり、使用するレアアース材料の量も少ないとのことです。

「ほとんどの高速モーターはローターを強化するためにスリーブを使用していますが、そのスリーブは通常、チタンやカーボンファイバーなどの高価な材料で作られています」とChu氏は言います。 「スリーブ自体が非常に高価であり、また正確に取り付ける必要があるため、モーターの製造コストが高くなります。

「当社のローターは非常に優れた機械的堅牢性を備えているため、スリーブが不要になり、製造コストが削減されます」と Chu 氏は指摘します。 「また、当社ではレアアース材料を約 30 パーセントのみ使用しています。これにより、材料コストが大幅に削減され、当社の高性能モーターがより環境に優しく、手頃な価格になりました。」

この高速磁気駆動モーターにより、ネオジムなどの希土類材料の使用量が大幅に削減されます。 写真提供：ニューサウスウェールズ大学

硫黄は非常に豊富でコスト効率が高く、従来のイオンベースのバッテリーよりも多くのエネルギーを保持できます。 アルゴンヌ国立研究所の最近の研究開発プロジェクトでは、硫黄ベースの電池を製造する新しい方法を発見しました。 エンジニアは、腐食を引き起こす硫黄電池の従来の問題をほぼ排除しながら、エネルギー貯蔵容量を追加する層をバッテリー内に作成しました。

「これらの結果は、酸化還元活性中間層がリチウム硫黄（Li-S）電池の開発に多大な影響を与える可能性があることを示しています」とアルゴンヌ大学のビームライン科学者ウェンキアン・シュー氏は言う。 「私たちはこのテクノロジーを日常生活に取り入れることにまた一歩近づいています。」

有望な電池設計は、硫黄含有正極 (カソード) とリチウム金属負極 (アノード) を組み合わせています。 これらのコンポーネントの間には電解質があります。

初期の Li-S バッテリーは、硫黄種 (多硫化物) が電解質に溶解し、腐食を引き起こしたため、十分な性能を発揮できませんでした。 この多硫化物の往復効果はバッテリーの寿命に悪影響を及ぼし、バッテリーの再充電回数が減少します。

この多硫化物の往復移動を防ぐために、これまでの取り組みでは、カソードとアノードの間に酸化還元不活性な中間層を配置することが試みられていた。 「酸化還元不活性」という用語は、材料が電極内のような反応を受けないことを意味します。

しかし、この保護中間層は重くて密度が高いため、バッテリーの単位重量あたりのエネルギー貯蔵容量が減少します。 また、シャトルを十分に低減することもできません。 これが、Li-S電池の商業化に対する大きな障壁となっていることが判明した。

この問題に対処するために、ORNL チームは多孔質の硫黄含有中間層を開発し、テストしました。 実験室でのテストでは、不活性な中間層とは対照的に、この活性な中間層を備えた Li-S 電池の初期容量が約 3 倍高いことが示されました。 さらに印象的なのは、活性中間層を備えたセルは、700 回の充放電サイクルにわたって高容量を維持したことです。

「酸化還元不活性層を有する細胞を用いたこれまでの実験は往復を抑制するだけであったが、その際、層によって余分な重量が追加されたため、特定の細胞重量に対するエネルギーが犠牲になった」とアルゴンヌ大学の化学者、Guiliang Xu博士は言う。 。 「対照的に、私たちの酸化還元活性層はエネルギー貯蔵能力を高め、シャトル効果を抑制します。」

今後の研究活動では、酸化還元活性中間層技術の成長の可能性を評価する予定です。 「私たちはそれをもっと薄く、もっと軽くすることに挑戦したいと思っています」とXu氏は言います。