リチウムイオン電池の電極材料の選び方をお教えします

リチウムイオン電池は、使用中に二次充電が可能で、二次充電式電池に属します。主な動作原理は、バッテリーの形状に関係なく、正極と負極の間でリチウムイオンが繰り返し移動することです。その主成分は、電解質、正極板、負極板、およびダイアフラムです。現在、リチウムイオン電池の国際生産は、主に中国、日本、韓国に集中しています。主なリチウムイオンアプリケーション市場は携帯電話とコンピューターです。リチウムイオン電池の継続的な開発に伴い、応用分野は徐々に拡大しており、正極性材料の使用はモノリシックから多様化しています。これらには、さまざまな材料の共存を実現するための、かんらん石型リン酸第一鉄リチウム、層状コバルト酸リチウム、スピネル型マンガン酸などが含まれます。技術の発展から、今後の開発でより多くの新しいタイプのポジティブ材料が生産されることがわかります。パワーセルの正極材料は、コスト、安全性能、循環容量、エネルギー密度など厳しい要件があります。アプライドマテリアルズの分野では、コバルト酸リチウムはコストが高く安全性が低いため、通常、特定の用途の一般消費者向けバッテリーに適用でき、パワーバッテリーの要件を満たすことは困難です。上記の他の材料は、現在のパワーセルで完全に利用されています。リチウムイオン電池の材料では、負極材料が重要な成分であり、電池全体の性能に大きな影響を与える可能性があります。現在、負極性材料は主に2つのカテゴリーに分類されます。1つは天然黒鉛、ソフトカーボンなどの炭素材料の商業用途向けで、もう1つは研究開発中だが市場の見通しが良好な非炭素ネガティブ材料用です。 。たとえば、シリコンベースの材料、合金材料、シッキム材料などです。

1カーボンネガティブ材料：このタイプの材料は、エネルギー密度、リサイクル能力、コスト投入のいずれであっても、バランスの取れたネガティブ材料であり、リチウムイオン電池の誕生を促進する主要な材料でもあります。炭素材料は、グラファイト炭素材料とハードカーボンの2つのカテゴリに分類できます。その中で、前者は主に人工黒鉛と天然黒鉛を含みます。人工黒鉛の形成プロセスは次のとおりです。2500°Cを超える温度では、軟炭素材料がグラフ化されて取得されます。 MCMBは、一般的に使用されるタイプの人工黒鉛です。その構造は球形であり、その表面の質感は比較的滑らかです。直径は約5〜40μmです。電極の表面が滑らかであるため、電極表面と電解質の間の反応速度が低下し、不可逆容量が低下します。同時に、球形構造は、リチウムイオンの埋め込みと非活性化をあらゆる方向に促進することができ、構造の安定性に大きな促進効果をもたらします。天然黒鉛にも多くの利点があります。結晶化度が高く、埋め込み場所が多く、価格が低くなっています。理想的なリチウムイオン電池素材です。ただし、特定の欠点もあります。例えば、電解液と反応する場合、相溶性が悪く、破砕時に表面に多くの欠陥があり、その充放電の性能に大きな悪影響を及ぼします。さらに、ハードカーボンの形成プロセスは次のとおりです。2500°Cでは、主にポリマー化合物の熱分解炭素であるグラフ化された炭素材料を実装することは困難です。それは多くのナノメートルの球で構成されていることが高倍率の顕微鏡で見ることができます。図1に示すように、全体が花のクラスターを示しています。表面に多数のナノポアがあるアモルファス領域は、容量の点でグラファイトの標準容量をはるかに超えており、これは大きな悪影響を及ぼします。循環容量。

2シリコン負極材料：シリコン材料は貯蔵量が多く安価であるため、新しいタイプの負極材料としてリチウムイオン電池に適用するのが理想的です。しかし、シリコンは半導体であるため導電性が悪く、埋め込み工程で過去の数倍の膨張があり、最大膨張率が370％に達することがあり、活性シリコン粉末になって脱落し、電子と完全に接触することは困難です。次に、容量は急速に減少します。シリコンをリチウムイオン電池材料にうまく利用すれば、充電・放電の過程で効果的に制御でき、容量や循環能力を大いに保証できます。これは、次の方法で実行できます。まず、ナノメートルサイズのシリコンを使用できます。第二に、シリコンは非アクティブマトリックス、アクティブマトリックス、および接着剤と組み合わされます。第三に、シリコンフィルムの使用は、次世代の最も適切な市販のネガティブ材料と見なされてきました。

3リチウムイオン電池のカソード材料：カソード材料としてコバルト酸リチウムが最も早く使用され、現在でも家電製品の主流のカソード材料です。他の正極材料と比較して、コバルト酸リチウムは、動作中の電圧が比較的高く、充電または放電時の電圧動作が比較的安定しており、大電流の要件を満たすことができ、強力なサイクル性能を備えていることがわかります。導電性が高いです。材料や電池、その他のプロセスは比較的安定しています。ただし、多くの欠点もあります。たとえば、資源が不足し、価格が高く、コバルトには毒性があり、使用すると一定のリスクがあり、環境に悪影響を与える可能性があります。特に、そのセキュリティは効果的に保証することができず、それはその広範な開発を制限する重要な要因になります。実施された研究の中で、Al 3 +、Mg2 +、Ni2 +などの金属カチオンが最も広くドープされており、科学研究の継続的な進歩に伴い、現在、Al 3+などの金属カチオンドーピング形態があります。 Mg2 +が使用されています。コバルト酸リチウムの調製には、主に固相合成法と液相合成法の2つの方法が含まれます。産業界で一般的に使用されているのは、高温固相合成法です。主にLi2CO3やLiOHなどのリチウム塩とCoCO3などのコバルト塩を使用して1：1の比率で溶融します。それは600°Cから900°Cの高温での煆焼によって形成されます。現在、リチウムコバルト酸材料の市場での用途は主に二次電池市場であり、小型の高密度リチウムイオン電池材料にも最適です。

３元素正極材料は、比較的重要な３元素相乗効果を有する。コバルト酸リチウムと比較して、熱安定性の面で大きな利点があり、製造コストが比較的低く、コバルト酸リチウムの最良の代替材料になり得ることがわかります。ただし、密度が低く、リサイクル性能の向上が必要です。このために、改善された合成プロセスとイオンドーピングを使用して調整することができます。三元材料は、主にスチールシェルやアルミニウムシェルなどの円筒形リチウムイオン電池に使用されていますが、ソフトパック電池の膨張係数のため、その用途は大幅に制限されています。将来のアプリケーションでは、その開発の方向性は主に2つの側面を持っています。1つは、主にBluetooth、携帯電話、その他の小型ポータブルデバイスの開発における高マンガンの方向性です。第二に、高ニッケルの方向で、主に電動自転車、電気自動車、およびエネルギー密度の需要が高いその他の分野で。

リン酸第二鉄リチウムは、リサイクル性能と充放電時の熱安定性に優れ、使用時の安全性が高く、環境にやさしく、環境にやさしい素材でありながら、価格も手頃です。比較的低いです。中国の電池産業は、大規模な電池モジュールの生産に最適な材料であると考えられています。現在の主な応用分野は、電気自動車や携帯型モバイル充電電源などです。将来的には、エネルギー貯蔵電源や携帯型電源の方向に発展していきます。

二酸化マンガンリチウムは、アプリケーションで強力な安全性と過負荷防止機能を備えています。中国にはマンガン資源が豊富にあるため、価格は比較的低く、環境への汚染は少なく、無毒で無害であり、産業準備作業は比較的簡単です。ただし、充電・放電の過程では、スピネル構造が不安定なため、ヤーン・テラー効果が発生しやすく、高温でマンガンが溶解すると電池容量が低下しやすくなり、用途も大きくなります。限定。現在、酸化マンガンリチウムの適用範囲は、携帯電話やデジタル製品などの小型電池が中心です。パワーセルに関しては、リン酸鉄リチウムを入れ替えることができるため、競争が激しくなっています。その開発の方向性は、高エネルギー、高密度、低コストのトレンドになります。

リチウムイオン電池製品は活発な発展を見せています。科学技術の発展に伴い、スマートフォンやコンピューターなどの製品が広く使われるようになりました。これにより、リチウムイオン電池の需要が高まり、開発の機会が増えます。同時に、車載リチウムイオンやエネルギー貯蔵電源の開発も進んでおり、リチウムイオン電池の新たな成長ポイントとなっています。したがって、今後の開発では、リチウムイオン電池の役割が大きくなり、電池材料の継続的な交換にもつながるように、この側面の研究を強化する必要があります。

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