韓国の研究者たちは、バッテリーの負極専用に開発された新しい形状制御のグラファイト粒子乾電極製造技術を開発しました。このプロジェクトは、韓国材料科学研究所（KIMS）と韓国電力電子研究院（KERI）が共同で推進しています。この技術は、電気自動車の走行距離を延ばし、充電時間を短縮し、生産コストを削減することができます。韓国材料科学研究所の上級研究員であるユン・ジヒ氏は、「この技術は、従来のポリテトラフルオロエチレン（PTFE）を基にした乾電極製造プロセスの制約を克服する新しい方法を提供します。私たちは、この技術が高エネルギー密度と迅速な充電性能を要求する次世代電気自動車バッテリーにおいて高い応用可能性を持つと期待しています。」と述べています。
新型乾電極技術がバッテリー性能を大幅に向上
この技術は、スプレードライ技術を使用して製造された形状制御粒子の製造プロセスの概略図です。電気自動車やエネルギー貯蔵の需要が高まる中、世界中でより高密度、より迅速な充電、より長寿命のバッテリーを求める競争が激化しています。自動車メーカーは長年にわたり、バッテリーの解決策として乾電極の製造を模索してきました。この方法は、標準的な湿式スラリー工程を完全に回避します。乾燥方法は、工場の面積を縮小し、有毒な化学溶剤や高エネルギー消費の工業炉を排除することで、炭素排出を削減することができます。しかし、このプロセスには一つの主要な問題があります。それは、PTFEを使用していることです。PTFEは議論の余地がある接着剤材料であり、性能や環境に関する問題を引き起こす可能性があります。
PTFEは消費者にとってはテフロンとして知られており、乾燥したコンポーネントを微細に接着する接着剤として機能します。しかし、PTFEは「永続化学物質」のPFASファミリーに属し、バッテリーの負極の厳しい電気化学環境で分解することが知られており、世界の一部の地域では厳しい環境規制が施行される予定です。これまで、業界はPTFEを使用しない乾電極の製造はほぼ不可能であると考えていました。韓国の研究チームは、PTFEの代わりに業界標準の環境に優しい接着剤システム（CMC-SBR）を使用することを試みることに決めました。この接着剤は、日常の湿式バッテリーの製造に広く使用されています。
しかし、接着剤を交換するだけでは不十分で、原材料自体も徹底的な物理的再設定が必要です。標準的なバッテリーの負極は平板状のグラファイト粒子を使用しており、これらの平面粒子が圧縮されると、トランプのように完璧に整列します。これにより、リチウムイオンの大きな交通渋滞が発生し、イオンはこれらの平板の端を回り込むことを余儀なくされ、長く曲がりくねった迂回路を通ることになります。この問題を解決するために、研究者たちはスプレードライ技術に目を向け、グラファイト、導電性添加剤、接着剤を含むスラリーを処理し、標準的な平面グラファイトシートを円形の複合粒子に変換しました。
これらの新しい円形粒子の内部では、グラファイトシートがランダムにさまざまな方向に配置されています。
新技術がバッテリー生産プロセスを変える可能性
このランダムな内部構造は、多車線の高速道路のように、リチウムイオンがスムーズに通過できるようにし、平坦なグラファイトの壁に衝突することはありません。リチウムイオンは、今や多方向の通路を通って電極の厚さ全体を直接横断することができます。注目すべきは、イオンの自由な動きにより、製造業者はより厚い電極を構築でき、同じスペース内により多くのエネルギー容量を圧縮できるため、電気自動車の走行距離が延びることです。研究者たちは、「実験結果は、開発された乾電極が迅速な充電性能と長期的な循環安定性において従来の湿式スラリー基電極を上回ることを示しています。
この技術は高エネルギー密度条件下でリチウムイオンの拡散特性を大幅に改善し、厚い電極構造に基づいて高容量バッテリーを実現する可能性を証明しました。」
最後に、このプロセスはバッテリー会社がすでに使用している標準のCMC-SBR接着剤に依存しているため、工場の生産ラインは大きな変更なしにこの技術を採用できます。関連する研究結果は『エネルギー貯蔵材料』誌に発表されました。
項目 規格 バッテリー容量 高エネルギー密度 急速充電性能 従来の湿式スラリー基電極を上回る