なぜ800キロメートルを狙う必要があるのですか？この値はほとんどの人のクルージング範囲で最も高い期待値であるため、電気自動車の巡航範囲が800キロに達することができず、ほとんどの人がコストを受け入れることができる場合、電気自動車の人気は低くなります。そのため、この値をバッテリー500プロジェクトの目標に設定します。このプロジェクトは2009年に始まり、アルマデン研究センターが支配しています。それ以来、IBMはヨーロッパ、アジア、米国の多くのビジネスパートナーや研究機関とこの研究を実施してきました。バッテリー500プロジェクトは、金属空気技術に基づいています。リチウム電池と比較して、金属空気のバッテリーは単位質量あたりのエネルギーが大きくなります。プロジェクトの調査は、商業化にはまだ数年かかります。しかし、これらの7年間の実験を通じて、将来の金属空気バッテリーは実際に電気自動車に役立つと考えることができます。なぜ金属空気バッテリーなのですか？この問題を理解するために、リチウム空気電池を例にとって、まずリチウムイオン電池（現在はリチウム電池）とリチウム空気電池の違いを見てみましょう。以下の図は、リチウムイオンバッテリーの充電と放電中のバッテリーの内部状態を示しています。従来のリチウムイオンバッテリーでは、正の電極は炭素であり、負の電極はコバルト、ニッケル、マンガンなどの異なる遷移金属酸化物で構成されています。両方の電極を、リチウム塩が溶解した電解質に浸漬されました。電荷と排出中、リチウムイオンは一方の電極から他の電極に移動します。動きの方向は、バッテリーの状態に応じて、バッテリーが充電されるか排出されるかによって異なります。電荷と排出の時点で、リチウムイオンは最終的に電極材料の原子層に埋め込まれます。したがって、最終バッテリーの容量は、リチウムイオン、つまりの量と品質によって決定されるリチウムイオンを収容できる材料の量に依存します。電極。 
△リチウムイオンバッテリーの充電および放電プロセス
リチウム空気バッテリーはさまざまです。金属空気バッテリーでは、電気化学反応が起こります。排出プロセス中、リチウムを含む正電極はリチウムイオンを放出し、リチウムイオンは負の電極に向かって移動し、負電極の表面の酸素と反応して過酸化リチウムを形成します（Li 2 O 2）。化学反応は負の電極で発生せず、リチウムイオンは負の電極材料ではないため、リチウムイオン、電子、酸素は多孔質炭素によって形成された負の電極の表面で反応します。したがって、バッテリーの容量と負の電極材料の体積または質量はあまり高くありません。十分な表面積がある限り、大きな関係。つまり、リチウム空気バッテリーの容量は、電極の体積と品質ではなく、電極の表面積によって決定されます。これが、リチウム空気バッテリーでは、小量の電極が大量のエネルギーを保存することができ、より高いエネルギー密度をもたらす理由です。 
rithiumリチウム空気バッテリーの充電および放電プロセス
もちろん、エネルギー密度に加えて、コストも重要な考慮事項です。バッテリーの価格は現在200〜300米ドル / kWhの範囲です。kWhあたり5〜6 kmの走行ができれば、800 kmが150 kWhのバッテリーが必要で、30,000〜450万kwhが必要です。 BMW 2シリーズカーには33,000ドルのみが必要です。したがって、大量生産したい場合、kWhあたりの価格は100ドルを下回る必要があります。リチウム空気のバッテリーの商業化については、どのような問題を解決すべきですか？リチウムと酸素が単に酸化還元反応にかかる場合、生成できる理論的最大エネルギー密度は3,460 WH/kgです。化学反応を経験しない細胞の部分は別として、最終的に達成できるエネルギー密度の値も非常に望ましいです。もちろん、問題にも遭遇します。リチウム空気バッテリーの充電プロセスは、外部から加圧されている限り、従来のリチウムイオンバッテリーの充電プロセスと類似しています。違いは、リチウム空気バッテリーでは、外部電圧がある場合、過酸化リチウムの構造が破壊され、酸素とリチウムイオンに還元され、リチウムイオンが正の電極に戻されることです。従来のリチウムバッテリーのようなリチウム空気バッテリーは、より多くの充電と排出サイクルを持ち、バッテリー内でより多くの副作用を持っています。これらの副作用は、大量生産と商業化の基本です。バッテリーに対するこれらの副作用の効果を理解するために、研究センターの電気化学質量分析計を使用して、各充電および放電サイクル中に消費および生成されるガスの量を正確に測定しました。その結果、問題が発見されました。リチウム空気バッテリーは、充電中に排出中に消費された酸素よりもはるかに少ない酸素を放出します。 （テストでは、空気の代わりに乾燥酸素が使用されます。） 
IBM IBM Research Centerの電気化学質量分析計（：IBM）
理想的なバッテリーセルでは、排出中に消費される酸素は、充電中に放出される酸素の質量に等しくなります。しかし、この研究では、放出された酸素の量が少ないことがわかりました。つまり、放出されない酸素は、電解質に溶けるなど、バッテリーユニットのコンポーネントと反応する可能性が高いことを意味します。消費。チューリッヒの別のIBM研究所では、この自己破壊的な化学反応を追跡およびコンピューター化するための新しい実験を実施しました。最後に、その理由は有機電解質で見つかりました。次に、この問題を研究しました。最新のバッテリーユニットでは、新しい電解質を使用した後、排出中に吸収される酸素のほとんどを放出できます。さらに、これら2つの物質の存在は、バッテリー内に少なくとも1つの自己消費化学反応がある可能性が高いことを意味するため、電荷と排出中の水素と水の消費と生産も追跡します。現在のバッテリーユニットは、実際の充電プロセスを理論上の最大値よりはるかに少なくするためですが、200の充電と排出サイクルを達成することができました。この問題に加えて、リチウム空気バッテリーのさまざまなコンポーネントに関するいくつかの重要な調査結果があります。 1.正の電極は、従来のリチウムイオンバッテリーのグラファイトで作られた陽性電極とは異なります。リチウム空気バッテリーでは、リチウムを含む正の電極が充電プロセス中に何らかの表面を変化させ、苔のようなまたは木のような構造が成長します。それは樹状突起です。これらの樹状突起は、正と負の電極の間に導電性ループを形成して短絡を作成できるため、非常に危険です。 
△リチウム空気バッテリー陽性電極、数十サイクルの後、表面は樹状構造を生成します
樹状突起の発生を減らすために、特別な分離膜を使用しました。この分離器は、リチウムイオンの通過を可能にし、樹状突起産生を抑制するために、膜全体に十分に小さく、均等に分布している多くのナノスケールの毛穴を含む材料の層で構成されています。このセパレーターが存在するため、数百の電荷サイクルの後、アノードは滑らかなままです。従来の分離器を使用すると、樹状突起は数サイクル後に発生します。導電性イオンを備えたガラスポリマーを使用すると、効果が向上します。 
△リチウム空気バッテリー陽性電極、ナノ分離フィルムを使用した後、表面は滑らかなままです
2.電解質で現在使用されている電解質は、電荷および放電サイクルで生成された酸素または他の化合物と依然として反応しているため、消費されます。これまでのところ、リチウム空気バッテリーが商業ステージに入ることができるほど安定した溶媒は見つかりませんでした。 3.充電プロセス中、リチウムイオンは負の電極と反応して硝酸リチウムを生成する可能性があります。硝酸リチウムも電解質と反応し、電解質を消費し、二酸化炭素を生成します。テストでは、生成された硝酸リチウムの量も追跡し、生産を減らすためにいくつかの措置を講じました。ただし、必要な充電電圧は、少なくとも700mVだけバッテリーの動作電圧よりも高い必要があるためです。過電圧は、バッテリーの充電効率を低下させます。炭素を他の金属酸化物に変換しようとしましたが、結果はあまり変化していません。 4.金属空気電池に触媒を使用するかどうかに関する触媒、プロと敵の間には多くの議論がありました。触媒を使用すると、過圧条件の発生が大幅に減少する可能性がありますが、同じ触媒は一般に電解質の消費も加速します。私たちの理論的研究では、活性化エネルギーはリチウムの酸化と減少において非常に低いです。したがって、リチウム空気電池では、触媒は必要ありません。 5.空気の調製バッテリーはリチウム空気バッテリーと呼ばれますが、実際には乾燥酸素を使用します。空気中の水蒸気と二酸化炭素の成分を除去するだけで必要であるため、「乾燥」に重点が置かれています。このような空気を市販のバッテリーで大量生産するには、軽量で効率的で安定した空気浄化システムが必要です。この観点から、リチウム空気電池の実用的な用途は、バス、トラック、その他の大型車両にある場合があります。これらの大型車両のみが、空気浄化装置に対応できます。現在テストに使用されているバッテリーユニットのサイズは小さく、直径76 mm、長さ13 mmであり、電気自動車の標準では十分ではありません。したがって、行う必要がある最も重要なタスクの1つは、より大きなバッテリーセルを作成し、多くのバッテリーセルを1つのバッテリーパックにパッケージ化して詰め、バッテリー管理システムを搭載する方法です。また、100 x 100mm（直径100mm、長さ100mm）など、いくつかの異なるサイズをテストしています。現在、このプロジェクトは材料と化学反応に関する最初の基礎科学段階にありますが、得られた結果は肯定的です。私たちの研究では、現在達成できるエネルギー密度は、15 kWh/kg（生炭素カソード、5700 mAh x 2.7 v/gを使用）のリチウム酸化還元反応であり、セルのエネルギー密度は約800 wh/kgです。ナトリウム空気バッテリー：低エネルギー密度ですが、安定した金属空気電池には、リチウム、ナトリウム、カリウムに加えて使用できる多くの金属があります。これらの金属の逆反応は簡単で、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄などの比較的重い金属が充電が困難であることが証明されているため、バッテリー500プロジェクトはリチウムとナトリウムの両方を研究することを選択しました。金属。ナトリウム電池はもう1つの興味深い組み合わせですが、達成できるエネルギー密度はリチウム空気電池と比較して低くなりますが、その利点はより安定しています。エネルギー密度が低い理由は、生成された化学反応が異なるためです。上記のように、リチウム空気電池では、リチウムは酸素と反応して過酸化リチウム（Li2O2）を生成しますが、ナトリウム空気電池では、ナトリウムは1つの電子のみを使用して酸素と反応し、スーパーオキシドNao2を生成します。過酸化ナトリウムの代わりに、Na2O2。それに比べて、ナトリウム空気バッテリーが生成できるエネルギー密度は理論的には半分に減少し、エネルギー密度の理論上の上限は1100 wh/kgです。一方、ナトリウム空気電池はリチウム空気電池よりも効率的であり、過電圧は非常に低く、20mV未満（リチウムの場合は700mV）です。これを考慮して、バッテリーユニットの動作電圧を3Vに削減できるため、電解質などのバッテリー内の他のコンポーネントの自己消費が大幅に削減できます。実験で測定し、検証しました。これには、バッテリーの安定性が非常に高く、50充電と退院サイクルの後、バッテリーの容量はほとんど変化しません。また、ナトリウム空気バッテリーの商業的使用にはいくつかの課題があります。たとえば、ナトリウム空気バッテリーは、同じ電力のピストンエンジンを生産するために必要な空気の量に相当する、反応に応じてリチウム空気バッテリーの2倍の酸素を消費します。さらに、ナトリウム金属の化学活性は非常に高く、多くの人々は高校の教室で化学の教師が行ったデモを覚えています。小さなナトリウムが水に投げ込まれ、暴力的な化学反応が発生します。しかし、リチウムは希少金属であり、安くはありません。しかし、ナトリウムは一般的な金属であり、コストは非常に低いです。同じサイズのナトリウム空気バッテリーの材料のコストは、リチウム空気バッテリーの10分の1未満です。長期的には、リチウム空気のバッテリーはパフォーマンスが向上しますが、安定性とコストを考慮すると、エネルギーが現在のバッテリーから未来まで、エネルギーと同じくらい低くないナトリウム空気バッテリーがあります。 0回
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