リチウム電池の作り方は？

私たちは皆、世界がリチウム電池で動いていることを知っています。そしてリチウム技術は確かに私たちの生活をこれまで以上に楽にしてくれました。ラップトップから私たちが使用するスマートフォンまで、そして今日の車両でさえ、最もインテリジェントな方法でリチウム電池が注入されています。これらのバッテリーの利点はリスクを上回り、これがバッテリー市場のトップにいる主な理由です。

そこで、ここではリチウム電池の作り方について説明します。電池には多くの素材が使われているので、これらの電池の働きとともに詳しく見ていきます。はじめましょう。

リチウム電池はどのように作られていますか？

リチウム電池の動作を理解するには、システムに多くのコンポーネントがあることを知っておく必要があります。アノードからカソード、形状から電気化学まで、私たちが使用するバッテリーの背後には、より深い科学があります。

一般的なバッテリーは、アノード、カソード、セパレーター、電解質、および2つの集電体で構成されています。リチウム元素は、アノードとカソードの両側に保管されます。電解質は、正に帯電したリチウムイオンがアノードからカソードに、またはその逆に移動するのを助けます。イオンが電極間を移動すると、アノードで自由電子が生成され、正の集電体で電荷を誘導します。そして、電流の流れを担うのは集電体です。セパレーターは、バッテリー内部の電子の流れを遮断し、バッテリーの短絡を防ぐ役割を果たします。

リチウム電池の製造にはどのような材料が使用されていますか？

リチウム電池の基本的な考え方を理解したところで、もう少し深く掘り下げてみましょう。さまざまな材料を含む4つの主要なコンポーネントを以下に説明します。

1：カソード材料：

電池である最も適切なカソード材料は、LiCoO2、Li（NixMnyCoz）O2、オリビン、LiMn2O4、およびその他の再充電可能な酸化リチウムなどのリチウム金属酸化物です。現在、リチウムイオン電池用にコバルトとニッケルを含む層状酸化物が研究されています。これは、高電圧範囲でのコバルトの安定性によるものです。しかし、コバルトは本質的に有毒であり、入手可能性は限られています。

マンガンは、元素の低コストの代替と高い熱閾値のために一般的に使用されます。より良い結果を得るために、マンガン、コバルト、ニッケルの組み合わせを使用して、最高の特性を提供し、欠点を克服します。

2：アノード材料：

リチウム電池の最も一般的なアノード材料は、リチウム、リチウム合金、グラファイト、シリコン、およびその他のいくつかの炭素化合物です。リチウムは単純な材料ですが、いくつかの問題が関連しています。リチウムと樹枝状成長の循環挙動は、バッテリーにとって危険です。したがって、炭素質材料は、入手が容易で低コストであるため、リチウム電池に最も好まれます。もちろん、バッテリーの容量は損なわれますが、科学者たちはまだ欠点を消し去る最良の混合物を作ろうとしており、我々は最良の結果を得ることができます。

3：電解質材料：

電解質の場合、リチウム電池には、堅牢で、高温と既存の電圧に耐えることができる電解質が必要です。これに加えて、電解質はリチウムイオンの移動度を維持しながら長い貯蔵寿命も持つ必要があります。したがって、液体、ポリマー、および固体電解質が使用されます。有機および溶剤ベースの電解質は、リチウム電池に最適です。 LiBC4O8（LiBOB）、LiPF6、Li [PF3（C2F5）3]、およびいくつかの同様の化合物が含まれています。電解質を選択する際には、考えられる熱暴走条件とともに、溶媒の可燃性を考慮に入れる必要があります。そしてそれが電解質の決定方法です。

4：セパレーター：

リチウム電池の短絡を防ぐために、2つの電極を互いに分離する材料です。使用する電解液が液体の場合、フォームセパレーターを使用して電解液を所定の位置に保持します。使用するセパレータは、電子絶縁体であり、電解液に対する抵抗が最小である必要があります。最大の機械的安定性、劣化に対する化学的耐性などは、セパレーターに必要ないくつかの一般的な特性です。

固体電解質と一部のポリマー電解質を使用したバッテリーの良い点は、セパレーター材料を必要としないことです。

リチウムイオン電池はどのように機能しますか？

他のバッテリーと同様に、リチウムイオンバッテリーの動作も同様です。電池の基本部品はセルと呼ばれる発電部品です。各セルには、正極、負極、化学電解質の3つの必須コンポーネントが含まれています。名前が示すように、正極はバッテリーの正極に接続され、負極は負極に接続されています。

バッテリーの動作は非常に簡単です。充電中、正極はリチウムイオンを放出し、それらは電極を通って移動して負極に到達します。その後、イオンは負極に蓄積されます。最大のイオンがマイナス側に蓄積されると、バッテリーは完全に充電されます。放電プロセス中に、リチウムイオンは正極に戻り、バッテリーに電力を供給するエネルギーを放出します。

イオンと電子の動きは相互に関連したプロセスです。このプロセスは両方とも密接に関連しています。バッテリーが完全に放電したためにイオンの動きが止まると、外部回路でも電子の流れが妨げられます。バッテリーが電力を供給しているデバイスの電源を切ったときにも同じことが起こります。イオンの移動が停止し、バッテリーの高速放電が停止します。ただし、アプライアンスが電力の使用を停止した場合でも、放電プロセスは非常に遅い速度で続行されます。

リチウムイオン電池の最大の特徴は、電子コントローラーです。これらのコントローラーは、バッテリーの充電方法と放電方法を調整します。これにより、バッテリーの過充電や過熱を防ぎ、不幸な状況でバッテリーが爆発するのを防ぎます。

ご覧のとおり、バッテリーの化学的性質は思ったほど複雑ではありません。しかし、専門家だけが扱うことができるリチウム電池の多くの側面があります。したがって、いつかリチウム電池の設計を試みる場合は、すべての予防措置と安全対策をフォローアップしてください。