ミズー大学の4D STEMブレークスルー: 固体電池効率の向上

固体電池は現在注目を集めています。消費者向け電子機器や電気自動車で着実に普及し、2022年の世界の固体電池市場で最大シェアを占めています。

研究者は、EV分野における固体電池の応用が次の10年で指数的に成長し、US$4.3 billion by 2032に達すると見積もっています。固体電池が指数的成長を遂げる理由があります。基本的に、リチウムイオン技術で使用される液体電解質の代わりに固体電解質を使用するバッテリーテクノロジーを指します。

固体電池は正極、セパレーター、負極で構成されます。正極はリチウムイオン電池と同じ化合物で作ることができ、対照的に、セパレーターは一般的にセラミックまたは固体ポリマーで作られ、電解質としても機能します。負極はリチウム金属で作られます。

充電時、これらの電池内のリチウム粒子は正極からセパレーターの原子構造を通り、負極の電気接点へと移動し、純粋なリチウムの固体層を形成します。このプロセスにより、負極はリチウム粒子だけで構成され、グラファイト構造のリチウムイオン技術の負極よりも体積が小さくなります。

これらの電池はまだ開発段階にありますが、現在の電池に比べてエネルギー密度の向上、寿命の延長、安全性の強化、サイズの小型化など多くの改善が期待されています。有望な見通しが科学者にとってさらに探求し、何ができるかを見る魅力的な領域となっています。

ミネソタ大学の研究に関する最近のニュースリリースでは、研究者たちが「固体電池のコードを解読している」と主張しています。次のセグメントでは、この大胆な主張を支える理由を検討します。

ミネソタ大学の研究者が達成したこと

この研究は、Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹というタイトルで、4D走査透過電子顕微鏡（4D-STEM）を使用した正極‑電解質界面（CEI）形成を研究するシンプルなワークフローを示し、SS-LIB組み立てを必要としません。

固体リチウムイオン電池において、固体電解質と正極活性材料の接点で界面層が形成され、セルインピーダンスが増加します。研究者はSS-LIB組み立ての必要性を排除し、MoCl5:EtOHを化学的脱リチウム剤として使用する利点と、Li10GeP2S12（LGPS）SE粉末と接触させた化学的に脱リチウムされた正極LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NMC）粉末をSS-LIB CEIの代替として示しました。

研究者は4D-STEM、エネルギー分散型X線分光法（EDS）、およびelectron pair distribution function analysis（ePDF）を用いてCEI層の組成と構造をマッピングしました。彼らの発見は、陰イオン輸送を遮断しつつリチウムイオンと電子の輸送を許すコーティングが、界面形成を防止し、SS-LIBのインピーダンスを低減できることを示唆しています。

コーティングの性質を説明しながら、Youngは次のように述べました:

「コーティングは反応を防ぐほど薄く、しかしリチウムイオンの流れを遮断するほど厚くない必要があります。固体電解質と正極材料の高性能特性を維持することを目指しています。私たちの目標は、互換性のために性能を犠牲にせずにこれらの材料を一緒に使用することです。」

これらは技術的すぎるように聞こえるかもしれませんが、研究の成果を理解するためのより簡単な視点があります。

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液体電解質の問題への対処

リチウムイオン電池は液体電解質に依存しており、損傷や過熱すると発火する可能性があります。ミズー大学の研究者は、液体またはゲル電解質を固体電解質に置き換える効率的な技術を開発してこの問題に対処しました。

彼らの解決策がどのように機能するかを詳述すると、マティアス・ヤング助教授（ミズー大学工学部と芸術科学部の共同所属）は次のように述べました:

「固体電解質が正極に触れると反応し、約100ナノメートルの厚さの界面層が形成されます—これは人間の髪一本の幅の1,000分の1です。この層はリチウムイオンと電子の移動を妨げ、抵抗を増加させ、バッテリー性能を低下させます。」

最も重要なブレークスルー

しかし、研究チームの最も重要な成果は、四次元走査透過電子顕微鏡（4D STEM）を使用したことです。これが革命的だったのは、電池を分解せずに原子構造を観察でき、内部の化学反応を根本的に理解し、界面層がもたらす損傷の程度を特定できた点です。

これらの電池の潜在的なユーザーの視点から見ると、研究とその示唆は大きな可能性を秘めています。

期待される実世界での利点

世界の自動車メーカーは、固体電池がより高い安全性と熱安定性を提供することに期待しています。先ほど議論した研究はその方向へのブレークスルーであり、非常に意義深い前進です。さらに、研究は安全性、性能、バッテリー寿命、コスト、環境影響の改善につながる可能性があります。

世界中のバッテリー科学者は、今回のような研究から生まれる新しい世代の固体電池が、従来のリチウムイオンの2つの主要な欠点を最終的に克服すると楽観的に見ています。ニッケルリッチな正極は、正極に使用するコバルト量を減らすことを可能にします。第二に、固体電池化学はバッテリーメーカーが負極にリチウム金属を使用できるようにします。

第一の要因は、このセクターの成長にとって重要です。コバルトは希少で高価、採掘が困難であり、採掘法が緩い国から供給されます。研究者は、負極にリチウムを使用する範囲はエネルギー密度を高め、安全性を促進するため重要だと考えています。

リチウム金属の使用について、ヘレナ・ブラガ、ポルト大学の工学物理学准教授で、10年前にノーベル賞受賞者ジョン・グッドイナフと固体電池で共同研究した人物が、次のように述べました:

「これが私たちが最初に（固体電池）への旅を始めた理由です—リチウム金属を使用できるようにするためです。」

総合すると、この技術と研究ベースの手法は、性能と安全性が向上したバッテリーデザインの改善につながり、3〜7年以内に消費者向け電子機器や電気自動車に影響を与える可能性があります。

しかし、このような研究の実際の価値は、固体電池を製造する企業やビジネスがどれだけうまく採用し、規模拡大できるかに依存します。次のセグメントでは、全固体電池技術に特化し、より安全で効率的なエネルギー貯蔵ソリューションに焦点を当てる企業、Solid Power, Inc. (SLDP )について議論します。

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Powerは、全固体電池セル技術の提供者として位置付けており、現在の従来型液体ベースのリチウムイオン技術や次世代ハイブリッドセルに比べて、高エネルギー、向上した安全性、長寿命、コスト削減などの重要な改善を提供します。

Solid Powerの電池は、シリコン高含有量やリチウム金属などの高容量電極の使用を可能にし、高エネルギー性能を実現します。反応性が高く揮発性のある液体やゲル成分を除去することで安全性が向上し、極めて高温でも耐え、供給できるようになります。同社は、パックレベルで既存のリチウムイオンに対して15〜35％のコスト優位性を提供できると考えています。

次のセグメントでは、Solid Powerの全固体電池の3つのバリエーションについて議論します。

Silicon EV Cell 

これらのセルは高含有シリコン負極を備えており、高い充電速度と低温性能を提供します。これらのバッテリーは同社の独自の硫化物系固体電解質で駆動されます。最後に、NMC正極は業界標準で商業的に成熟しています。

Lithium Metal

Solid Powerのリチウム金属バッテリーはリチウム金属と高エネルギー負極を備えています。このカテゴリのバッテリーもSolid Powerの独自の硫化物系固体電解質と業界標準で商業的に成熟したNMC正極で駆動されます。

Conversion Reaction Cell 

最後に、変換反応セルのカテゴリに来ます。このバッテリーはリチウム金属、高エネルギー負極、硫化物系固体電解質の超低コスト、そして高比エネルギー変換型正極を備えています。

Solid Powerのバッテリーテクノロジーは、硫化物系固体電解質を最も重要な基盤の一つとしています。この技術は、従来のリチウムイオン電池における可燃性液体電解質とポリマーセパレーター層を完全に除去し、それを薄くてもバリアとして機能し、負極と正極が接触しないようにする固体層に置き換えます。この層はバッテリーが短絡するのを防ぎ、導電性電解質としても働きます。Solid Powerの硫化物系固体電解質は、導電性、製造性、セルレベルの性能の最適な組み合わせを提供します。

Solid Powerのコアである硫化物系固体電解質技術は、地球上に豊富に存在する材料を使用しています。同社は2028年までに全固体電池セルで80万台の電動車両に電力を供給できるよう、電解質の生産規模を拡大することを見込んでいます。

SLDP: 最新情報

2024年12月、Solid Powerはフォードとのパートナーシップを2025年まで延長することを発表しました。共同開発契約の第3次修正は、Solid Powerとフォードの間の電気自動車バッテリー性能の境界を押し広げる継続的なコミットメントを示しました。

報告書は、このパートナーシップの延長がSolid Powerの全固体電池技術の商業化に向けた重要なステップであると指摘しました。フォードという世界的な自動車メーカーとの拡大されたパートナーシップは、Solid Powerの技術が自動車産業に与える潜在的な影響を強調しています。

2025年1月、同社は米国エネルギー省（DOE）との重要な資金協定を締結しました。同社は次世代バッテリーに不可欠な硫化物系固体電解質材料の生産能力を強化するために、最大5,000万ドルの資金を確保したと発表しました。

この資金は2025年1月1日付の支援協定の一部として提供され、Solid Powerは費用分担の一環として自社資金6,000万ドルを拠出することが規定されました。この投資は、継続的な生産に必要な装置の導入を支援することを目的としており、同社の製造規模を強化することが期待されています。

協定の一環として、Solid Powerは特定の報告要件とコンプライアンス義務を遵守することが求められました。DOEの支援は、エネルギー貯蔵と電気自動車向けのバッテリーテクノロジーの進展が、低炭素経済への移行にとって重要であることを強調しました。

同社とDOEとのパートナーシップは、全固体電池の商業化を加速させる戦略的なステップであり、従来のリチウムイオン電池に比べてエネルギー密度の向上、安全性の強化、寿命の延長を約束しています。

財務面では、Solid Powerは2024年に2,010万ドルの収益を上げ、2023年と比べて270万ドル増加しました。営業費用は2024年に1億2550万ドルで、2023年の1億0800万ドルから増加しました。これは電解質とセル設計の性能向上、電解質生産、SK On契約を支える機器購入、韓国事業の設立などによる研究開発費の増加によるものです。2024年の営業損失は1億0530万ドル、純損失は9,650万ドル、1株当たり0.54ドルでした。

「2025年、Solid Powerはセル開発チームからのフィードバックを通じて電解質性能を向上させ、パートナー要件と顧客要求を実行し、電解質とセル技術の両方でイノベーションを継続し、財務規律を維持しながら開発と能力に戦略的に投資することで、ASSB技術の開発を推進し続けます。」

– John Van Scoter, Solid Power社 社長兼最高経営責任者

Solid-State Battery: 未来を見据えて

固体電池の未来は刺激的で、イノベーションの可能性に満ちています。例えば2024年、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部（SEAS）の研究者は、新しいリチウム金属電池を開発し、少なくとも6,000回の充放電が可能で、他のパウチ電池セルよりも多く、数分で再充電できました。

SEASの材料科学准教授で本研究のシニア著者であるXin Liによれば、研究はNature Materialsに掲載されました:

「リチウム金属負極バッテリーは、商用グラファイト負極の10倍の容量を持ち、電気自動車の走行距離を劇的に伸ばすことができるため、バッテリーの聖杯と考えられています。」

彼らの研究では、Liとチームは負極に微粒子サイズのシリコン粒子を使用してリチウム付加反応を制限し、厚いリチウム金属層の均一な析出を促進することでデンドライト形成を防止しました。充電中にリチウムイオンが正極から負極へ移動すると、リチウム付加反応は浅い表面で制限され、イオンはシリコン粒子の表面に付着し、さらに浸透しませんでした。

「私たちの設計では、リチウム金属がシリコン粒子の周りに包まれ、チョコレートトリュフのヘーゼルナッツコアを硬いチョコレートシェルで包むような形になります。」

– Li

コーティングされた粒子は均一な表面を形成し、電流密度の均等分布を保証し、デンドライトの成長を防止しました。また、均一な表面上での電極付着と剥離が迅速に行えるため、バッテリーは約10分で再充電できました。

研究者は、ほとんどの大学ラボで作られるコインセルの10〜20倍の大きさの切手サイズのパウチセルバージョンを開発しました。このバッテリーは6,000サイクル後に容量の80％を保持し、同クラスの他のパウチセルバッテリーを上回りました。過程で、研究者は同様の性能を示す可能性のある数十種の他の材料を明らかにしました。Liによれば:

「以前の研究では、銀を含む他の材料が固体電池の負極に適した材料として機能し得ることが判明しています。」

プロセスを普遍化するために、研究チームは全固体電池セル性能の再現性ベンチマーク.² 研究者は、標準化された設定や組立パラメータが欠如しているため、全固体電池セルのサイクル性能のラボ間比較性と再現性が十分に理解されていないことを観察しました。

研究者は、全固体電池のサイクリング結果を報告するためのパラメータセットを提案し、データを三重で報告することを推奨しました。例えば、Li+/Liに対して2.5Vおよび2.7Vの初期開放電圧は、これらの電活性材料を使用したセルの成功したサイクリングを予測する良い指標でした。

全固体電池製造の標準化は、その用途が多様であるため重要です。EVメーカーは効率的な全固体電池の開発に最も関心がありますが、NASAの研究者は、現在の車両や大型電子機器で一般的に使用されているバッテリーよりも軽量で安全性が高く、性能が優れた革新的なバッテリーパックの開発で進展を報告しています。

NASAの研究者は、これまでバッテリーに使用されていなかった革新的な新素材を実験しました。チームは、固体電池構造がバッテリーの設計とパッケージングを変更でき、重量を減らしながらエネルギー貯蔵容量を増加させることに早くから気付いていました。彼らは、固体電池が1kgあたり500Whという巨大な容量で物体に電力を供給できることを実証し、これは電気自動車の2倍に相当します。

「この設計はバッテリーの重量を30〜40％削減するだけでなく、エネルギーを2倍、あるいは3倍に増やすことができ、最先端とされるリチウムイオン電池の能力をはるかに超えます。」

– Rocco Viggiano, SABERS主任研究員

SABERSは、NASAが指定した活動「Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety」の頭字語です。

名前が示すように、固体電池の未来は高速充電性と安全性に支えられます。メーカーは、プロセスを危険にせずにより速く充電できるバッテリーの開発をますます求めるでしょう。

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