バッテリーテクノロジーの月面着陸計画
米国エネルギー省は、現在の最高クラスの商用lithium-ionセルの4倍のエネルギー密度を提供できるバッテリーテクノロジーを開発することを任務とする6つの研究チームへの資金提供を発表しました。国立研究所、大学、民間企業から選定されたこれらのチームには、単なる研究室の curiositiesではなく、実現可能にスケール可能な量産プロトタイプを製造するという野心的な2年のタイムラインが与えられています。
このイニシアティブは、連邦政府が最近設定したバッテリー開発の最も積極的な目標の1つを表しています。最先端のlithium-ionバッテリーは、セルレベルで毎キログラムあたり250から300ワット時のエネルギー密度を達成しています。4倍の改善は、エネルギー密度を毎キログラムあたり1,000ワット時以上に推し進め、これは貯蔵された電気エネルギーに依存するほぼすべてのアプリケーションの経済学と能力を根本的に変える閾値です。
4倍である理由
エネルギー密度を4倍にするという特定の目標は恣意的ではありません。そのレベルでは、バッテリーは既存技術の単なる段階的改善ではなく、変革的になります。その影響は複数のセクターに及びます:
- 軍事アプリケーション: 兵士は、ラジオやセンサーから無人システムや電子戦争装置まで、ますます重い電子機器の負荷を運びます。同じエネルギー容量で重量が4分の1のバッテリーは、装備兵の物理的負荷を劇的に削減し、バッテリー駆動の軍事システムの作戦持続力を延長します。
- 電気自動車: エネルギー密度が4倍になると、1回の充電で1,000マイルを超える航続距離の電気自動車が可能になります。あるいは、現在の航続距離を持つがはるかに小型で軽量なバッテリーパックの車が可能になります。これは航続距離不安をadoptionの障壁として排除し、電気自動車をあらゆるパフォーマンス次元で燃焼エンジンと競争力を持たせます。
- 航空: バッテリーの重量は、小さなドローンより大きいもの向けの電動飛行への主な障害です。現在の4倍のエネルギー密度を持つバッテリーは、電動地域航空機を実現可能にし、軍事および商用ドローンの航続距離とペイロード容量を劇的に拡張します。
- グリッドストレージ: より高いエネルギー密度は、より小さなスペースにより多くのストレージ容量を意味し、変動する再生可能エネルギー源の統合に不可欠な大規模バッテリー設置の土地利用と材料要件を削減します。
技術的課題
バッテリーエネルギー密度を4倍達成することは、並外れてambitious な目標であり、資金提供を受けた6つのチームのいずれかが2年のタイムフレーム内で成功する保証はありません。現在のlithium-ionテクノロジーは30年の集約的な研究開発を通じて洗練されており、段階的改善の残りの機会は減少しています。4倍の現在のパフォーマンスに到達することは、ほぼ確実に根本的に異なる化学またはアーキテクチャが必要です。
研究コミュニティは複数の候補アプローチを探索していますが、DOEはどの特定のテクノロジーが各資金提供されたチームが追求しているかを公開していません。最も有望な手段の中には、以下があります:
- Lithium-sulfurバッテリー: Sulfurカソードは、従来のlithium-ionカソードよりも理論的には数倍高いエネルギー密度を提供します。しかし、lithium-sulfurセルは歴史的には電解質中のsulfur化合物の溶解による急速な容量劣化に苦しんでおり、商業規模でこの問題を解決することは難しいことが証明されています。
- 固体電池: 従来のlithium-ionセルの液体電解質を固体電解質に置き換えることで、lithium metalアノードの使用が可能になり、これは現在のセルで使用されているgraphiteアノードよりもはるかに高いエネルギー密度を持っています。固体電池テクノロジーは大量の投資を集めていますが、商業化を遅らせている製造上の課題に直面しています。
- Lithium-airバッテリー: これらのセルは周囲の空気からのoxygenをカソード反応物として使用し、理論的にはすべてのバッテリー化学の中で最高のエネルギー密度を提供します。実用的なlithium-airバッテリーはまだ大部分が研究段階にあり、サイクルライフ、効率、および湿度と汚染物質への感受性における重大な課題があります。
- 高度なsilicon アノード: Siliconは、graphiteの単位質量あたりおよそ10倍のlithiumを貯蔵できますが、充電中に劇的に膨張し、機械的劣化を引き起こします。ナノ構造化siliconとsilicon-carbonコンポジットはこの問題を軽減するために開発されています。
量産可能性の要件
DOEイニシアティブの最も重要な側面は、量産可能なプロトタイプへの強調です。バッテリー研究の歴史は、優れたエネルギー密度を達成したが、スケールで製造されることができず、競争力のある価格で、または適切なサイクルライフで生産できなかった研究室デモンストレーションで満ちています。資金提供されたチームに量産可能性を実証するよう要求することで、DOEは研究成果が決して商用製品に変換されない研究結果を祝う一般的な罠を回避しようとしています。
この要件は、どの技術的アプローチが実行可能であるかを形作る実践的制約のレイヤーを追加します。並外れたエネルギー密度を達成しているが、微量の量でのみ利用可能な異国の材料を必要とする、または研究室を超えてスケール不可能な製造プロセスの化学は、プログラムの目標を満たしていません。チームはサプライチェーン、コスト、および生産スケーラビリティを生のパフォーマンスメトリクスと並行して検討する必要があります。
競争環境
米国は次世代バッテリーテクノロジーの追求で単独ではありません。中国、日本、韓国、およびEUはすべて主要なバッテリー研究および製造プログラムを持っており、次世代バッテリーを開発するための世界的な競争は、10年で最も結果の大きいテクノロジー競争の1つです。ブレークスルーバッテリーパフォーマンスを最初に達成する国または地域は、自動車製造、防衛能力、およびエネルギーインフラストラクチャにおいて重大な利点を得るでしょう。
DOEの投資は、米国がこの競争で遅れることができないという認識を反映しています。高度なバッテリーはますます商用機会だけでなく、国家安全保障および経済競争力の問題として見られています。2年のタイムラインはあらゆる標準によって積極的ですが、それは競争の緊急性と成功の可能性のあるペイオフを反映しています。
6つのチームのいずれかが4倍のエネルギー密度の目標を製造可能な設計で達成できれば、その結果は世紀の最も結果の大きい材料科学のブレークスルーの1つになり、運輸、エネルギー、防衛、および消費者電子機器を同時に形作る可能性のあるものになるでしょう。
この記事はDefense Oneによるレポートに基づいています。元の記事を読んでください。
