Loading article…
半固体電池（正式には準固体電池、QSSBとも呼ばれる）は、液体電解質を用いた従来のリチウムイオン電池（LIB）と、固体と液体のハイブリッド半固体電解質を用いた全固体電池（ASSB）の中間的な技術として機能する充電式電池の一種である。[ 1 ]
この技術の主な目的は、可燃性液体電解質の量を減らすことでバッテリーの安全性を向上させ、従来のLIBに関連する火災やデンドライトの成長のリスクを軽減することです。同時に、固体電解質と電極間の高い界面抵抗や接触不良など、ASSBが直面する重大な課題を克服することも目指しています。[ 2 ] [ 3 ] 2023年現在、「固体」として販売されている市販のバッテリーは、実際には準固体バッテリーでした。[ 1 ]
半固体電池の開発は、液体電解質と全固体電解質の両方に共通する明確な限界によって推進されている。
半固体電池は、これらの要素のバランスを取るための妥協案として設計されています。固体マトリックス内に少量の液体またはゲル状物質を使用することで、従来のLIBと比較して安全性を大幅に向上させながら、良好な界面接触と高いイオン伝導性を維持します。[ 2 ]
半固体電池の中核となるのは半固体電解質であり、これは通常ゲルポリマー電解質（GPE）である。GPEは、液体成分（従来の液体電解質などの可塑剤）を閉じ込める固体ポリマーマトリックスで構成されている。 [ 2 ]この構造により、固体の機械的安定性を保ちながら、液体の高いイオン伝導性を維持できる。GPEの特性は、ポリマーマトリックスの選択によって大きく左右される。
もう一つの一般的なアプローチは、ポリマーマトリックスに無機セラミックフィラー（LLZO、SiO₂、BaTiO₃など）を分散させて複合電解質を作成することです。これらのセラミックフィラーは、イオン伝導性を高め、電解質の機械的および熱的安定性を向上させることができます。この設計により、セラミック材料と電極との直接的でしばしば反応的な接触も防止されます。[ 5 ]
ゲルポリマー電解質の製造方法は、電池の最終的な性能、特に界面抵抗に大きく影響する。
外部法では、まず溶液キャスティングやエレクトロスピニングなどの技術を用いて自立型ポリマー膜を作製します。次に、この膜を組み立て時に電池セル内に配置し、液体電解質で膨潤させてGPEを形成します。この方法の大きな欠点は、予め形成された膜と電極との物理的な接触が不十分になる可能性があり、その結果、界面抵抗が高くなる可能性があることです。[ 11 ]
その場法では、モノマー、リチウム塩、開始剤の混合物である液体前駆体を組み立て済みの電池セルに直接注入します。液体は電極の細孔に完全に浸透し、その後（熱または紫外線によって開始される）重合を起こして、その場でGPEを形成します。このプロセスにより、電解質と電極の間に密着したシームレスな界面が形成され、界面抵抗が大幅に低下し、電池全体の性能が向上します。この方法は、既存の電池製造プロセスとよく適合するため、商業化に適していると考えられています。[ 12 ]
半固体電池は従来の液体電解質電池よりも安全性が高いものの、本質的に故障しないわけではない。少量の液体またはゲル状の可塑剤が存在するということは、可燃性成分が含まれていることを意味する。[ 13 ]
比較安全試験では、外部加熱下ではQSSBも熱暴走を起こす可能性があることが示されていますが、その反応は従来のLIBよりも高い温度で開始され、エネルギーはわずかに低い可能性があります。内部短絡（例えば、デンドライトの貫通）による故障の場合、放出される熱は液体電解質電池の熱に匹敵する可能性があります。したがって、安全性は向上していますが、絶対的なものではなく、熱管理と電池保護システムは依然として重要です。[ 4 ]