高速充電用グラファイトアノード材料

2025-03-26

リチウムイオンバッテリーの商業化された最初の負極材料として、グラファイトは高容量、安定した構造、および優れた電気導電性という利点があります。さらに重要なのは、供給源が広範でコストが低いことです。現在でも、グラファイトは最も主流な負極材料であり、短期間で完全に置き換えられることは難しいです。リチウムイオンバッテリーが電気自動車に広く使用されている中で、高速充電能力はグラファイトの最も重要な性能指標となっています。リチウムの挿入動力学が遅く、非常に低い酸化還元電位に制約されるため、高速充電および放電中のグラファイトの容量、安定性、安全性は電力バッテリーのニーズを満たすことができません。したがって、グラファイトの高速充電性能を向上させるための改良が、近年の研究者たちの関心の的となっています。

高速充電におけるグラファイトの問題に対する現在の解決策は以下の通りです。

(1) 安定した人工SEI膜の構築。安定した構造、高い酸化還元電位、良好なイオン導電性を持つ有機/無機の人工SEI膜をグラファイト表面に構築することで、グラファイト内のリチウムイオン輸送の異方性を低減できるだけでなく、リチウムイオンの移動速度を向上させることができます。小さな分極を持ち、高速充電および放電中のグラファイト表面でのリチウム金属の沈積を避けます。さらに、人工SEI膜はリチウムイオンと溶媒分子の「選別フィルター」としても機能し、溶媒分子の共挿入によってグラファイトの構造が損傷するのを避けます。

(2) 形態および構造設計。グラファイトの形態や構造（例えば、孔構造の設計）を改良することで、グラファイトの端部挿入の活性部位を増加させ、グラファイト内のリチウムイオンの移動性を向上させることができます。

(3) 電解液の最適化。溶媒の使用を最適化し、リチウム塩の種類と濃度を調整し、有機/無機の添加剤を追加することで、電解液中のリチウムイオンの溶媒和構造を効果的に調整し、リチウムイオンの脱溶媒障壁を低減し、安定したSEI膜を構築できます。また、溶媒分子の共挿入がグラファイトの安定性に与える影響を軽減します。

(4) 充電戦略の最適化。充電プロトコルを最適化し、充電電流、電圧、および静置時間を調整することで、リチウムデンドライトの形成なしに充電速度制限に到達し、サイクル寿命と充電速度のバランスを実現できます。これらの方法は、高速充電条件下におけるグラファイトの容量と安定性を効果的に向上させ、電気自動車の「給油」充電の実現に向けた参考を提供します。

しかし、グラファイトの急速充電設計にはまだ以下の課題があります：

(1) グラファイトの化学的安定性は非常に強固であり、表面の湿潤性は非常に低いです。したがって、単純な物理的および化学的手法によって人工SEI保護膜を構築することは難しいです。現在の研究のほとんどは、ALD（原子層堆積）、CVD（化学蒸着）などの方法を使用する必要があります。これらの方法で人工SEI保護膜を構築することは高コストで、プロセスが煩雑で、効率が低く、大規模な産業化の実現可能性がありません。したがって、グラファイト自体に着目して、その内因的な物理的および化学的性質を変化させ、簡便な方法で人工SEI保護膜の構築を実現することが、今後の研究の焦点となります。

（2）孔を設計し、グラファイト粒子の形態と構造を減少させることにより、グラファイトのリチウム挿入サイトを増やすことはできますが、活性サイトの増加はしばしば副反応の強化と初回コロンブス効率の低下を伴います。リチウム塩の価格が過去最高に達していることを考えると、グラファイトの急速充電設計は初回の不可逆容量の増加を犠牲にしてはなりません。したがって、形態と構造の調整戦略は、追加のリチウム消費を避けるために他の表面改質戦略と組み合わせて使用する必要があります。

（3）機能性添加剤を使用するか、新しいリチウム塩や溶媒を開発することによって、高いイオン伝導率、高い輸送数、広い温度範囲を持つ新しい電解液を得ることが重要であり、電解液は特定のバッテリー化学に対するイオン輸送および界面を決定します。ただし、電解液の開発ガイドラインはコスト要因と環境保護の程度を考慮しなければならず、そうでなければ実用的な意義を欠くことになります。

（4）ほとんどのグラファイトベースの急速充電設計は、まだボタン電池に基づいて評価されています。大規模な産業応用を急務とする技術として、研究者はそれをポーチセルまたは円筒セルで評価し、その商業的応用の可能性を検証すべきです。