リチウムイオン電池のエネルギー密度入門

現在のリチウムイオン電池の開発を阻む最大のボトルネックは、エネルギー密度であると言えます。携帯電話であろうと電気自動車であろうと、人々はバッテリーのエネルギー密度が新しいレベルに達することを期待しているので、バッテリーの寿命や航続距離はもはや製品を悩ませている主要な要因ではありません。

鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池からリチウムイオン電池まで、エネルギー密度は継続的に増加しています。しかし、上昇の速度は、産業規模の速度と比較して、エネルギーに対する人間の需要の程度と比較して遅すぎます。人間の進歩が「バッテリー」にとどまっていると冗談を言う人さえいます。もちろん、いつの日かグローバルな無線送電が実現できれば、（携帯電話の信号のように）「無線で」電力を得ることができれば、人間はもはやバッテリーを必要とせず、社会の発展は当然バッテリーにとらわれることはありません。

エネルギー密度がボトルネックになっている現在の状況を考慮して。世界中の国々が関連する電池業界の政策目標を策定しており、電池業界がエネルギー密度の大幅な飛躍的進歩を達成することを期待しています。中国、米国、日本、その他の国々の政府や業界団体が設定した2020年の目標は、基本的に300Wh / kgの値を示しており、これは現在のレベルのほぼ2倍に相当します。 2030年の長期目標は、500Wh / kgまたは700Wh / kgに到達することです。電池業界は、この目標を達成するために、化学システムに大きな進歩を遂げる必要があります。

リチウムイオン電池のエネルギー密度に影響を与える要因はたくさんあります。リチウムイオン電池の既存の化学システムと構造に対する明らかな制限は何ですか？

以前に分析したように、電気エネルギーキャリアの役割は実際にはバッテリー内のリチウム元素です。他の物質は「廃棄物」ですが、安定した、継続的で安全な電気エネルギー担体を得るためには、これらの「廃棄物」が不可欠です。 。たとえば、リチウムイオン電池では、リチウムの質量は一般に1％以上であり、残りの99％はエネルギー貯蔵を持たない他の物質です。エジソンは、成功は99％の汗と1％の才能であるという有名なことわざを持っています。この原則は普遍的であるように思われます。 1％はベニバナ、残りの99％は緑の葉です。

したがって、エネルギー密度を上げるために、私たちが最初に考えることは、リチウムの割合を増やすことです。同時に、できるだけ多くのリチウムイオンを正極から使い出し、負極に移動してから、負電極の元の数からの正電極（減らすことはできません）エネルギーの再輸送。

1.正の活物質の割合を増やす

正の活物質の割合を増やすことは、主にリチウムの割合を増やすことです。同じバッテリー化学システムでは、リチウムの含有量が増加し（他の条件は変更されません）、それに応じてエネルギー密度が向上します。したがって、一定の体積と重量の制限の下で、ポジティブな活物質がますます増えることを期待しています。

2.負の活物質の割合を増やす

これは実際には正の活物質の量を増やすためであり、泳いでエネルギーを蓄えるリチウムイオンに対応するために、より多くの負の活物質が必要です。負の活物質が不十分な場合、余分なリチウムイオンが負極の内部に埋め込まれるのではなく表面に堆積し、不可逆的な化学反応と電池容量の低下を引き起こします。

3.正極材料の比容量（グラム容量）を向上させる

陽性活性物質の割合には上限があり、無制限に増やすことはできません。一定量の正の活性物質の場合、できるだけ多くのリチウムイオンが正極から除去されて化学反応に関与する場合にのみ、エネルギー密度を増加させることができます。そのため、アクティブアノードと比較して除去可能なリチウムイオンの割合を高くしたいと考えています。これは容量インデックスよりも高くなっています。

これが、コバルト酸リチウムからリン酸鉄リチウム、三元材料まで、さまざまなカソード材料を研究して選択した理由です。

以前に分析したように、コバルト酸リチウムは137mAh / gに達する可能性があり、マンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムの実際の値はすべて約120mAh / gであり、ニッケル-コバルト-マンガン三成分は180mAh / gに達する可能性があります。再び上昇したいのであれば、新しい正極材料を研究し、工業化を進める必要があります。

4.アノード材料の比容量を改善します

対照的に、アノード材料の比容量は、リチウムイオン電池のエネルギー密度の主なボトルネックではありませんが、アノードの比容量をさらに増やすと、質量の少ないカソード材料がより多くのリチウムを収容できることを意味します。イオン。エネルギー密度を高めるという目標を達成します。

負極にはグラファイトカーボン素材を使用し、理論比容量は372mAh / gです。ハードカーボン素材とナノカーボン素材をベースに、比容量を600mAh / g以上にアップ可能。スズベースおよびシリコンベースのアノード材料は、負極の比容量を非常に高いレベルにまで高めることもできます。これは、現在の研究のホットスポットです。

5.減量

正極と負極の活物質に加えて、電解質、セパレーター、バインダー、導電剤、集電体、基板、シェル材料などがリチウムイオン電池の「自重」であり、バッテリー全体の約40％。電池の性能に影響を与えずにこれらの材料の重量を減らすことができれば、リチウムイオン電池のエネルギー密度も上げることができます。

これに大騒ぎするためには、電解質、セパレーター、バインダー、基板と集電体、シェル材料、製造プロセスなどについて詳細な調査と分析を行い、合理的な解決策を見つける必要があります。あらゆる面での改善により、バッテリーのエネルギー密度を全体的に高めることができます。

上記の分析から、リチウムイオン電池のエネルギー密度の改善は体系的なプロジェクトであることがわかります。製造プロセスの改善、既存の材料の性能の改善、新しい材料と新しい化学システムの開発から始めて、短期、中期、および長期のソリューションを探します。

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