リチウムイオン電池のしくみ

「リチウム電池」は、負極材料としてリチウム金属またはリチウム合金を使用し、非電解電解液を使用した電池の一種です。1912年にgilbertn.lewisによってリチウム金属電池が最初に提案され、研究されました。1970年代に、mswillinghamが提案して開始しました。リチウムイオン電池の研究に。リチウム金属の化学的特性により、リチウム金属の加工、保存、使用が非常に活発であり、環境への要求が非常に高いため、リチウム電池は長い間使用されていません。科学技術の発展により、リチウム電池が主流になりました。

リチウム電池は、リチウム金属電池とリチウムイオン電池の2つのカテゴリに大別できます。リチウムイオン電池は金属リチウムを含まず、充電可能です。充電式リチウム金属電池の第5世代は、1996年に誕生しました。その安全性、比容量、自己放電率、および性能と価格の比率はすべて、リチウムイオン電池よりも優れています。独自の高度な技術要件のため、現在、リチウム金属電池の製造を行っているのは、いくつかの国で数社のみです。

リチウム電池はペースメーカーで最初に使用されました。リチウム電池の自己放電率が非常に低く、放電電圧が穏やかであるため、埋め込まれたペースメーカーは再充電せずに長時間動作することができます。リチウム電池の公称電圧は一般に3.0ボルトより高く、集積回路の電源に適しています。二酸化マンガン電池は、電卓、デジタルカメラ、時計に広く使用されています。

より優れた性能を開発するために、さまざまな材料が研究され、前例のない製品が製造されています。

1992年、ソニーはリチウムイオン電池の開発に成功しました。その実用性により、人々の携帯電話、ラップトップ、電卓、その他の携帯用電子機器の重量と体積が大幅に削減されました。

1. 1970年代、エクソンのMSホイッティンガムは、正極材料として硫化チタンを使用し、負極材料としてリチウム金属を使用して、最初のリチウム電池を製造しました。

2. 1980年、j.godenoughは、コバルト酸リチウムがリチウムイオン電池のアノード材料として使用できることを発見しました。

1982年3月、イリノイ工科大学（イリノイ工科大学）RRAgarwalとJRSelmanは、埋め込まれたリチウムイオンがグラファイトの特性を持ち、プロセスが迅速で可逆的であることを発見しました。同時に、リチウム金属製のリチウム電池は、潜在的な安全上の問題から大きな注目を集めています。そのため、人々はリチウムイオンをグラファイトに埋め込んだ二次電池を作ろうとしています。最初に利用可能なリチウムイオングラファイト電極は、ベル研究所によって首尾よく製造されました。

4. 1983年、m.hackeray、j.groodenough etal。マンガンスピネルは、低価格、安定性、電気とリチウムの伝導性能に優れた優れたカソード材料であることがわかりました。その分解温度は高く、酸化はコバルト酸リチウムよりもはるかに低く、短絡、過充電があったとしても、燃焼、爆発のリスクを回避することができます。

5. 1989年、am thiramとj.groodenoughは、重合した陰イオンの正極を採用すると、より高い電圧が生成されることを発見しました。

6. 1991年、ソニーは最初の商用リチウムイオン電池を発売しました。その後、リチウムイオン電池は家庭用電化製品に革命をもたらしました。

7. 1996年、PadhiとGoodenoughは、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）などのかんらん岩構造のリン酸塩が従来のアノード材料よりも優れており、主流のアノード材料になっていることを発見しました。

携帯電話やノートパソコンなどのデジタル製品が広く使用されるようになり、リチウムイオン電池は性能の優れた製品に広く使用され、徐々に応用分野の他の製品にも使用されてきました。 1998年、天津電力研究所はリチウムイオン電池の商業生産を開始しました。リチウムイオン電池はリチウム電池とも呼ばれますが、同じではありません。リチウムイオン電池が主流になりました。

炭素材料を負極とし、リチウム化合物を正極とするリチウムイオン電池は、金属リチウムはなく、リチウムイオンのみです。リチウムイオン電池は、正極材料としてリチウムイオン埋め込み化合物を使用した電池の総称です。リチウムイオン電池の充電と放電のプロセスは、リチウムイオンの埋め込みと取り外しのプロセスです。リチウムイオンの埋め込みとロック解除のプロセスでは、リチウムイオンによる等価電子の埋め込みとロック解除が伴います（通常、正極は埋め込みまたはロック解除と呼ばれ、負極は挿入またはロック解除と呼ばれます）。充電と放電の過程で、リチウムイオンは正極と負極の間に挿入/除去され、挿入/除去されます。これは鮮やかに「ロッキングチェアバッテリー」と呼ばれています。

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、平均出力電圧が高い。自己放電は少なく、月に10％未満です。メモリー効果はありません。 -20℃〜60℃の広い使用温度範囲。優れたサイクル性能、高速充電および放電、最大100％の充電効率、および大出力。長い耐用年数。環境汚染はなく、グリーンバッテリーと呼ばれています。

作用機序

リチウムイオン電池は、炭素材料を負極とし、リチウム化合物を正極とし、金属リチウムは存在せず、リチウムイオンのみを含みます。これがリチウムイオン電池です。リチウムイオン電池は、正極材料としてリチウムイオン埋め込み化合物を使用した電池の総称です。リチウムイオン電池の充電と放電のプロセスは、リチウムイオンの埋め込みと取り外しのプロセスです。リチウムイオンの埋め込みとロック解除のプロセスでは、リチウムイオンによる等価電子の埋め込みとロック解除が伴います（通常、正極は埋め込みまたはロック解除と呼ばれ、負極は挿入またはロック解除と呼ばれます）。充電と放電の過程で、リチウムイオンは正極と負極の間に挿入/除去され、挿入/除去されます。これは鮮やかに「ロッキングチェアバッテリー」と呼ばれています。

電池を充電すると、電池の正極にリチウムイオンが生成され、生成されたリチウムイオンが電解液を通って負極に移動します。負の炭素として、それはラメラ構造を持ち、そしてそれは多くの微細孔を持っています。負極に到達したリチウムイオンは、炭素層の微細孔に埋め込まれます。埋め込まれるリチウムイオンが多いほど、充電容量は高くなります。同様に、バッテリーが放電されると（バッテリーを使用するプロセス）、負の炭素層に埋め込まれたリチウムイオンが逃げて正の電極に戻ります。正に帯電したリチウムイオンが多いほど、放電容量は大きくなります。

一般的に、リチウム電池の充電電流は0.2cから1Cの間に設定されます。電流が大きいほど、充電が速くなり、バッテリーの熱が高くなります。さらに、充電電流が多すぎると、バッテリーの内部電気化学反応に時間がかかるため、容量がいっぱいになりません。ビールを注ぐのと同じように、注ぐのが速すぎると泡が発生しますが、不満があります。

使用上の注意（排出）

バッテリーの場合、通常の使用は放電プロセスです。リチウム電池の放電には注意が必要です。

まず、放電電流が大きすぎないようにする必要があります。過大な電流はバッテリー内部の熱を引き起こし、永久的な損傷を引き起こす可能性があります。携帯電話、これは問題ありません、考えることはできません。

右図からわかるように、放電電流が大きいほど放電容量が小さくなり、電圧降下が速くなります。

第二に、決して過放電しないでください！リチウム電池の電気エネルギーの内部貯蔵は、可逆的な化学変化である電気化学に依存しています。過剰な放電は、この化学変化の不可逆反応につながります。したがって、リチウム電池は過放電を最も恐れています。幸いなことに、電話内のバッテリーには保護回路が取り付けられており、電圧がバッテリーを損傷するほど低くないため、保護回路が機能し、放電が停止します。

リチウムイオン電池：二次電池（充電式電池）で、主にリチウムイオンを利用して正極と負極の間を移動します。充電および放電中、Li +は2つの電極間で埋め込まれ、前後にリンク解除されます。充電中、Li +は正極から切り離され、電解質を介して負極に埋め込まれます。放電は反対です。

リチウム電池は、リチウム電池とリチウムイオン電池に分けられます。携帯電話やラップトップは、一般にリチウムイオン電池として知られているリチウムイオン電池を使用しています。電池は一般的に、最新の高性能電池の代表であるリチウムを含む材料を電極として使用します。真のリチウム電池は危険であるため、日常の電子機器で使用されることはめったにありません。

リチウムイオン電池は、1990年に日本のソニーによって最初に開発されました。リチウムイオンは炭素（石油コークスとグラファイト）に埋め込まれ、負極を形成します。 LixCoO2、LixNiO2、LixMnO4などのアノード材料が一般的に使用され、LiPF6 +ジエチレンカーボネート（EC）+ジメチルカーボネート（DMC）などの電解質が使用されます。

負極材料としての石油コークスとグラファイトは無毒であり、資源は十分です。炭素に埋め込まれたリチウムイオンは、リチウムの高い活性を克服し、従来のリチウム電池に存在する安全性の問題を解決します。正極LixCoO2は、より高いレベルの充電および放電性能と耐用年数に達することができ、コストを削減します。リチウムイオン電池は、21世紀に大きな市場を持つことが期待されています。

リチウムイオン二次電池の充電および放電中の式は、LiCoO2 + C = li1-xcoo2 + LixC [1]です。

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