Forge Nano のナノスケールコーティングは EV バッテリーの寿命を延ばすことができる

過去 25 年間で、電気自動車の 1 回の充電による最長距離は約 260 キロメートルから 800 キロメートル強に伸びました。これらの先進的なバッテリー パックは、家庭や企業に電力を供給するために、電力網や再生可能エネルギー源からのエネルギーを蓄えることも増えています。世界の自動車用バッテリー市場が年間 500 億ドルを超え、より優れたバッテリーを大量に生産しなければならないというプレッシャーが高まっているのも不思議ではありません。

現在、いくつかの企業が、原子層堆積（ALD）と呼ばれる確立された化学技術を応用して、金属酸化物または窒化物で電池電極をコーティングし、リチウムイオン電池のエネルギー容量と寿命の両方を向上させると主張している。これらの企業には、コロラド州ソーントンに拠点を置くフォージナノ、カリフォルニア州サンタクララに拠点を置くアプライドマテリアルズの完全子会社ピコサン、フィンランドのエスポーにあるベネクなどがあり、1960年代に開発されたこの技術を活用している。。 これらの企業は、それぞれのプロセスを何年もかけて改良し、現在ではCATL、パナソニック、サムスンなどの大手企業が独占するEVおよびスマートフォン用バッテリー市場に足掛かりを得たいと考えている。

3社のうち、フォージナノが最も進んだ技術を持っているようだ。同社は最近、子会社のフォージバッテリーがALDコーティングされた材料で作られた試作品の電池セルのサンプルを顧客に送り、テストを開始したと発表した。同社によると、同社がアトミックアーマーと呼ぶ独自のALD配合により、電池の電極のエネルギー貯蔵能力が向上し、寿命が延びるという。

リチウムイオン電池には何が含まれていますか?

今日の電気自動車やスマートフォンに搭載されているバッテリーは、3 つの主要コンポーネントで構成されています。通常グラファイトで作られたアノード、つまり負極は、充電プロセス中にリチウムイオンが蓄えられる場所です。カソード (正極) は、コバルト酸リチウムやリン酸鉄リチウムなどのリチウム金属酸化物で作られています。次に、有機溶媒に溶解したリチウム塩である電解質があります。これにより、リチウムイオンがアノードとカソードの間を移動できるようになります。また、セパレーターも重要です。これは、充電および放電中にカソードとアノードの間でイオンが移動できるようにしますが、2 つの間に直接電子が流れるのをブロックして、バッテリーをすぐにショートさせないようにする半多孔性材料です。

Forge Nano によって、R&D バッテリー セル用のカソード コーティングが堆積されます。フォージナノ

これらの企業によれば、アノード、カソード、セパレーターを構成する材料を分子レベルでコーティングすることで、重量や体積を大幅に増加させることなく、バッテリーの性能と耐久性を向上させることができるという。

フィルムは、交互に基板に導入される 2 つのガス状前駆体物質間の化学反応によって形成されます。最初の前駆体は、基板表面の活性部位、つまり前駆体分子上および基板表面上の 2 つの材料が化学的に結合する点と反応します。次に、未反応の前駆体ガスがすべて排出された後、次の前駆体が導入され、それぞれの活性部位で最初の前駆体と結合します。ALD 技術は自己終了型であり、すべての活性部位が満たされると反応が停止します。フィルムは一度に 1 原子層ずつ形成されるため、必要なコーティング厚さに達したら、基板を前駆体にさらさないようにするだけで、厚さを 10 分の 1 ナノメートル単位の精度で設定できます。

従来のリチウムイオン電池では、グラファイト陽極が使用され、陽極のイオン貯蔵能力を高めるために、グラファイトにシリコン（および場合によっては他の材料）が添加されます。この方法によりエネルギー密度は高まりますが、シリコンは電解質との副反応や、充放電中の膨張と収縮を起こしやすく、電極が弱くなります。最終的には、機械的劣化により電池の貯蔵容量が減少します。ALD 技術では、陽極分子を保護層でコーティングすることで、陽極のシリコンの割合を高め、膨張と収縮のサイクルを抑制して機械的劣化を遅らせます。その結果、従来のリチウムイオン電池よりも軽量でエネルギー密度が高く、耐久性に優れた電池が実現します。

ピコサン社によると、同社のALD技術は、従来のグラファイトに頼ったものに比べてエネルギー貯蔵容量が2倍以上、エネルギー密度が3倍以上のコーティングされた酸化ニッケルアノードの製造に使用されているという。

メリットはどれほど大きいのか？フォージナノは、第三者によるテストと検証が進行中だが、コーティング強化バッテリーの寿命について明確な発言をするのは時期尚早だと述べている。しかし、同社の広報担当者は次のように語った。 IEEE スペクトラム これまでに受け取ったデータによると、現在市場に出回っている同等のバッテリーと比較して、比エネルギーが 15 パーセント向上していることが示されています。

同社は、アノードとカソードの製造業者からティア 1 バッテリー サプライヤー、さらには電気自動車メーカーまで、バッテリー製造チェーンのあらゆる関係者が、ALD に対する同社の取り組みをバッテリー製造の必須ステップと見なすだろうと大きな賭けに出ている。フォージ バッテリーはノースカロライナ州に 25,700 平方メートルの巨大工場を建設中で、2026 年に稼働開始すれば、アトミック アーマー強化リチウムイオン セルと完成バッテリーを 1 ギガワット時生産できるという。