Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar プージャ： 従来のリチウムイオン電池では、アノードとカソードの2つの電極があり、セルを放電すると、リチウムイオンがアノードを横切って移動し、カソードに挿入されます。セルの短絡を防ぐために、液体電解質とポリマーセパレーターで満たされた電極が使用されます。電極は電子が流れる外部回路に接続されており、セルを放電すると電流が出力され、電気自動車に電力を供給します。全固体電池の原理は同じですが、セパレーターと液体電解質を取り除き、代わりに2つの電極の間に固体電解質があります。固体電解質は、グラファイトアノードの理論容量の10倍のリチウム金属アノードを可能にし、セルのエネルギー密度を2倍にします。リチウム金属は反応性が高く、サイクリング中にデンドライトを形成してセルを短絡させる可能性があります。固体電解質は、引火性液体電解質がないため、デンドライトの形成を機械的に防止するだけでなく、セルの安全性を高めることができます。
プラナフ： 全固体電池は、基本的に液体電解質を含まないリチウムイオン電池です。液体電解質は固体電解質に置き換えられるため、これらの電池は全固体電池と呼ばれます。多くの人は、全固体電池が既存のリチウムイオン電池とはまったく異なる種類の電池であると混乱します。そうではありません。液体電解質が固体電解質に置き換えられただけです。
リチウムイオン電池と全固体電池 プラナフ： ご存知のとおり、バッテリー業界の誰もが、エネルギー密度の向上、充電時間の短縮、ライフサイクルの改善など、EV移行の主要な課題のいくつかを克服するために継続的に取り組んでいます。新しく開発されたカソード、ニッケルの割合が高い、シリコンが埋め込まれたアノードにより、これらのセルのエネルギー密度は大幅に改善されましたが、同時に熱的にも安定性が低くなっています。その上、充電時間の相対的な改善は少ないです。従来のリチウムイオン電池のように、これらすべてのパラメータに関して飽和レベルに近づいています。エネルギー密度をさらに高め、熱安定性を高め、充電時間を短縮するには、新しいタイプのテクノロジーに移行する必要があります。そこで、全固体電池が登場すると思います。
プージャ： そこにいくつかの興味深い点があります。人々が考慮していないもう1つの分野は、持続可能性にますます重点が置かれている航空業界です。離陸時や着陸時など、航空機の電気推進システムに部分的または完全に電力を供給するために全固体電池を使用することに関心があります。 NASAはまた、再充電性と安全性を強化するために全固体電池を製造することを発表したので、これは本当に有望です。
プラナフ： 全固体電池の基本的な動作原理は、従来のリチウムイオン電池と同じです。従来のリチウムイオン電池では、陰極のリチウムがリチウムイオンと電子に分裂します。リチウムイオンが液体電解質を通って泳いでアノードに到達する間、電子は外部ネットワークを通って移動します。全固体電池の場合、それはほぼ同じです。問題は、イオンをアノードからカソードに、またはその逆にどのように移動させるかということです。基本的に、拡散と呼ばれるものを使用します。固体電解質格子内のリチウムイオン位置を再配置し、現在の格子構造内にいくつかの空孔を作成して、リチウムイオンがある格子位置から別の格子位置に「ホップ」し、アノードからカソードおよびその逆。バッテリーの動作部分の違いはこれだけです。
プージャ： 液体電解質とセパレーターを取り除くことで、全固体電池がよりコンパクトになり、リチウム金属アノードを使用すると、体積エネルギー密度が増加します。固体電解質格子を通過するリチウムイオンは比較的高速なプロセスですが、アノードとカソードに固体界面があり、抵抗性が高い可能性があるため、固体電池では界面の問題も発生します。これを解決しようとしている多くの産業のための活発な研究分野。
プージャ： リチウムイオン電池と同様に、カソードにはコバルト、マンガン、ニッケルが含まれています。液体電解質を交換するだけです。
プラナフ： はい、カソードは同じになります。全固体電池にコバルト、マンガン、ニッケルが含まれていないことには多くの混乱がありますが、必ずしもそうとは限りません。異なるカソードを使用する可能性はありますが、現在のカソードは全固体電池でも使用されます。
プージャ： 固体電解質の利点の1つは、ニッケルが多くコバルト含有量が少ない高電圧カソードを使用できることです。これは、コバルトがほとんど非倫理的に生成されるため、コバルトを削減するという点で明らかに利点であり、エネルギー密度も次のように増加します。容量に動作電圧ウィンドウを掛けたもの。固体電解質を高電圧カソードで使用できる理由は、一部の固体電解質は0〜5 Vの間で安定した動作電圧ウィンドウを持っているため、5 Vは、多くの液体電解質がすぐに分解し始める場所です（約3 -4 V）。しかし、全固体電池では、カソード材料が何で構成されるかはそれほど明確ではありません。コバルト、ニッケル、またはリン酸鉄リチウム（LFP）カソードなどのマンガンを含まない材料を使用する場合、これは倫理的に優れていますが、エネルギー密度を高めるために高電圧カソードが必要なEVを使用する場合、これはニッケルベースである必要があります。
もう1つのポイントは、固体電解質材料をどのように分類するかです。無機電解質と有機電解質があります。後者は一般的にある種の高分子電解質を使用しますが、イオン伝導度が低いため、EVアプリケーションには使用しない傾向があります。多くの分類がありますが、無機物を見ると、主な2つは酸化物と硫黄の材料です。酸化物は硬質セラミックであり、すぐに入手できますが、高温で約1000〜1200 o で焼結する必要があります。 Cとそれには多くのコストがかかります。硫黄ベースの化学物質はより柔らかい材料であるため、このような高温で処理する必要はありません。これは利点ですが、硫黄が水分と反応すると、H 2 が生成されます。 有毒なSガスなので、CO 2 と同様に、生産ラインがある場合はこれらのことを考慮する必要があります。 排出量。
プージャ： 充電時間の短縮。 QuantumScapeによると、セルは15分で80％の容量まで充電できます。これは、現在の業界標準である30〜40分に比べてはるかに少なく、これを実行できる主な理由の1つは、全固体電池の引火性液体電解質なので、より速い速度で充電するときにセルの温度を上げることを考える必要はありません。
プラナフ： Poojaが述べたように、SSBでは急速充電時間が大きな利点になります。 15分で80％は、5分で約26％の充電が行われることを意味します。 400 kmの範囲を想定しても、急速充電時間の5分以内に100 kmを超える範囲に相当し、かなり印象的です。それとは別に、バッテリーパッケージの改善は、設計エンジニアリングの観点からも別の利点だと思います。
QuantumScapeは単層セルの積み重ねに成功し、パイロット生産に移行すると多層全固体電池セルを開発すると発表しました。
プージャ： まだフルパックを作っている人がいないので、言うのは難しいです。原則としてリサイクルは可能です。しかし、リサイクルによって材料を抽出することは費用効果が高いでしょうか？最終的に、それは固体電解質の化学的性質に依存します。固体電解質は固体であるため、液体電解質に比べて成分の抽出が容易です。また、硫黄固体電解質を使用した場合、硫黄は非常に安価であるため、リサイクルするのは効果的ではない可能性があります。セラミック固体電解質を使用する場合、これは高温処理を必要とするため、製造にコストがかかり、リサイクルコストを正当化する可能性があります。全固体電池EVがまだないため、これらのことはまだ十分に検討されていないと思います。
プラナフ： その通り。固体電解質部分を除いて、残りは従来のバッテリーと同じですので、リサイクルの観点からは、同じ道を進み続ける必要があります。
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プージャ： 全固体電池は2倍のエネルギー密度を提供し、本質的に安全です。問題は、技術的な課題と、これらを費用効果の高い方法でEV用の大判セルにスケーリングすることです。
プラナフ： 進歩の観点から、全固体電池（SSB）は複数のレベルで問題に直面しています。技術的な観点から、SSBは、電解質と電極の界面自体、つまり固体電解質とアノードおよびカソードの間の接触に関する問題に直面しています。固体セルの界面は、イオンが流れているときのエネルギーに関して多くの問題を引き起こします。機械的な状態にも問題があります。固体電解質は、バッテリーパックを作成するときに、セルを積み重ねる圧力の下で割れることがあります。次に、これらのバッテリーを生産量に合わせて拡張するための商品化の問題があります。
プージャ： 制作が異なる可能性があることに同意しますが、これは大きな問題ではないと思います。全固体電池は、円筒形に巻くのに十分な柔軟性がないため、円筒形セルとして実際に製造することはできません。したがって、現在のリチウムイオン電池の生産ラインは、ポーチタイプのセルに適応する必要があります。しかし、これには利点があります。高価なモジュールを使用せずにセルを直接パックに入れることができれば、セルの形式を変更する必要があるかもしれませんが、重量とコストを削減できるという点でメリットがあります。
長期的には、最大の問題は圧力と樹状突起の問題です。先ほどお話しした固体電解質は、リチウムデンドライトが電極間を行き来して短絡を引き起こすのを防ぐバリアとしても機能します。スタック圧力を加えることにより、より良い界面接触を提供することにより、デンドライトの形成を減らすことができます。バッテリーが短い寿命や遅い充電速度など、全固体電池を悩ませてきたすべての主要な課題を解決すると述べたQuantumScapeでさえ、3.4大気圧でセルを循環させています。移動中の車両でこれを行うことはできますか？多くの場合、1MPaはEVの実行可能な圧力として報告されているため、これを目指す必要があります。全固体電池にも同じセル性能が必要ですが、セルを積み重ねるだけで適用できる現実的な圧力下にあります。
硫黄電解質を使用している場合でも、硫黄が空気にさらされて有毒ガスが放出されるというクラッシュの問題があります。酸化物電解質はそのような有毒ガスを生成しませんが、高価な焼結のために高温を必要とします。したがって、硫黄電解質の電解質焼結温度の低下と、湿気に敏感なチャンバーの構築に関連するコストとの間にはトレードオフがあります。
もう1つの問題は、初期化学コストが低くても、リチウムイオンよりも高価になるため、全固体電池の全体的な製造コストを削減するのに十分なギガファクトリーを構築することです。
充電ステーションで再充電する純粋な電気ボルボC40およびXC40 プラナフ： それは現在の状態とほぼ同じように聞こえます。適切な実物大のモデルさえまだ利用できません。商業化の部分は、これらの細胞の生産がどのように適応されるかに依存する可能性があります。
プージャ： 特に2030年代なのか2034年なのかを判断するのは非常に難しいです。これらの企業はさまざまな固体電解質材料を検討しており、関連するすべてのコストと生産ラインが異なるため、言うのは時期尚早ですが、それほど安くはないと思います。この期間以前のリチウムイオン電池よりも。
プージャ： はい、実際には可燃性ではないため、樹状突起が形成されているように見える高温や低温でも使用できるという利点があります。そのため、パックは少し高価ですが、航空宇宙や高性能車など、動作中に高温範囲を必要とする可能性のあるより多くのアプリケーションで使用できます。 EVが普及するにつれ、企業は生産量を増やしてコストを削減することで規模の経済を実現できます。
プラナフ： はい、それは全固体電池の主要なハイライトの1つです。広い温度範囲。
プラナフ： はい。高価な冷却システムは必要ありません。冷却システムを必要としない可能性があります。また、EVメーカーはそのスペースを使用して、より多くのバッテリーを装着したり、既存のバッテリーサイズをより効率的にパッケージ化したりできることを意味します。
プージャ： はい、正確に言えば、それは製造コストの削減にも役立ちます。
プラナフ： 乗用車の場合、前述のように航空に関して多くの研究が行われているため、アプリケーションの1つとして挙げられる可能性がありますが、私が読んだことから、最初にEVでそれらを確認します。
プージャ： はい、同意しますが、コストの関係で、おそらくもっと高級EVと言えます。安全性とエネルギー密度が最優先事項であり、コストが最初に見られる問題ではないアプリケーションは、プラナフが言ったように航空です。バッテリーを非常に安価にしたいグリッドスケールや海洋アプリケーションの場合、エネルギー密度やサイズは関係ありません。そうすれば、業界はソリッドステートに目を向けません。
プラナフ： すべての自動車メーカーはプロジェクトのタイムラインを設定する必要があり、2025年は積極的な目標ですが、デモは完全に可能ですが、それまでに生産準備が整っているとは思えません。
プージャ： アカデミックな面から言えば、まず樹状突起の問題を解決する必要があります。樹状突起の問題を解決したというQuantumScapeの言葉を借りて、現時点では、単一のポーチセルの一部を形成する10層のセルがあるとします。彼らの最初のサイクリングテストは単層セルで行われたため、10層セルでこれらの結果を再現する必要があります。 10層のセルがうまく機能したら、これらのポーチセルをパックに統合する必要があります。これには、1〜2年かかります。その後、プロトタイプ車両で試して、並行して生産ラインを構築する必要があります。まず、フルパックに入れたら、ギガファクトリーでスケーリングする価値があるかどうかを確認するために必要なパフォーマンスが得られているかどうかを確認する必要があります。
Solid Powerは、2Ahのポーチセルを製造している別の会社であり、現在20Ahを製造しています。タイムスケールはかなり遠いですが、来年か2年で、少なくともこれが商用化され、前述の問題が解決されてEVに統合されるかどうかを知ることができると思います。ワクワクする時期ですが、そう遠くはありません。ラボから製造に移行し、十分な資金と投資家があれば、生産ラインの設備を迅速に作成する価値があることが証明されれば。
BMW GroupとFordは、Solid Powerの低コスト、高エネルギーの全固体電池技術を今後の電気自動車に利用することを目指しています。 プージャ： 両方が必要だと思います。パフォーマンスと安全性が最優先されるパフォーマンス/高級EVなどの優れたアプリケーションの場合、ソリッドステートになりますが、リチウムイオンがすぐになくなることはないと思います。非常に安価で、エネルギー貯蔵システムのようなものは、その迅速な応答、モジュール化、および柔軟な設置のために完璧です。
プラナフ： また、少なくとも今後数十年間はPoojaに同意します。全固体電池のコストが下がるまでは、両方が使用されていることがわかります。そして、VWの声明に関しては、範囲が最大50％増加する可能性があると思います。
プージャ： それはかなりの数です、トヨタとチームを組んだサムスンがいます。ホンダと日産、そしてBMWとフォードが多額の投資をしているSolid Powerがあります。彼らは、セラミック電解質を使用しているQuantumScapeとは異なる硫黄電解質を使用しています。 Solid Powerは、シリコンアノードの導入も検討しています。これは、業界で主にリチウムアノードが使用されているため興味深いものです。ゼネラルモーターズが提携している固体エネルギーシステムがあり、ハイブリッド電解質システムを使用しています。固体電解質はリチウムアノードを保護しますが、液体電解質を備えています。