リチウムイオン電池の動作原理

リチウムイオン電池：主に正極と負極の間を移動するリチウムイオンに依存して動作する二次電池（二次電池）です。充電および放電中、Li +は2つの電極間に挿入および脱挿入されます。充電中、Li +は正極から脱挿入され、電解質は負極に埋め込まれ、負極はリチウムに富む状態になります。

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類されます。携帯電話とラップトップはどちらも、一般にリチウム電池と呼ばれるリチウムイオン電池を使用しています。電池は一般的に電極としてリチウム含有材料を使用し、現代の高性能電池の代表です。真のリチウム電池は、リスクが高いため、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年に日本のソニー株式会社によって最初に開発されました。リチウムイオンを炭素（石油コークスとグラファイト）に挿入して負極（リチウム電池の場合はリチウム、従来のリチウム電池の場合はリチウム合金）を形成します。正極材料は、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO4に一般的に使用され、電解質にはLiPF6 +炭酸ジエチレン（EC）+炭酸ジメチル（DMC）が使用されます。

非毒性物質としての石油コークスとグラファイトは無毒であり、十分な資源を持っています。リチウムイオンは炭素に埋め込まれているため、リチウムの高い活性を克服し、従来のリチウム電池の安全性の問題を解決します。正のLixCoO2は、充電および放電の性能と寿命に達する可能性があります。レベルが高いほど、コストが低くなり、リチウムイオン電池の全体的なパフォーマンスが向上します。 21世紀にはリチウムイオン電池が大きな市場を占める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と放電の反応式は、LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + LixCです。

リチウムイオン電池は、次の2種類の電池と簡単に混同されます。

（1）リチウム電池：金属リチウムを負極として使用します。

（2）リチウムイオン電池：非水性液体有機電解質を使用しています。

（3）リチウムイオンポリマー電池：ポリマーを使用して液体有機溶媒をゲル化するか、全固体電解質を直接使用します。リチウムイオン電池は、一般的に、負極としてグラファイトベースの炭素材料を使用します。

リチウムイオン電池は、負極に炭素材料、正極にリチウム含有化合物を使用しており、リチウム金属は存在せず、リチウムイオンのみを使用しています。リチウムイオン電池は、リチウムイオンインターカレーション化合物を正極材料として使用する電池の総称です。リチウムイオン電池の充電および放電プロセスは、リチウムイオンを挿入および脱挿入するプロセスです。リチウムイオンのインターカレーションおよびデインターカレーションのプロセスにおいて、リチウムイオンとの等価電子の同時挿入およびデインターカレーション（一般に、正極の埋め込みまたはデインターカレーション、および負極の挿入またはデインターカレーションと呼ばれる）。充電および放電中、リチウムイオンは正極と負極の間に挿入/脱挿入され、挿入/脱挿入され、適切に「ロッキングチェア電池」と呼ばれます。

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。自己放電は小さく、月に10％未満です。メモリー効果はありません。動作温度範囲は-20°C〜60°Cです。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、および高出力電力。長持ちする。環境汚染がなければ、グリーンバッテリーと呼ばれます。

「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、非水性電解質溶液を使用する電池の一種である。リチウム金属電池は、1912年にギルバートN.ルイスによって最初に提案され、研究されました。1970年代に、MSウィッティンガムはリチウムイオン電池を提案し、研究を開始しました。リチウム金属の非常に活発な化学的性質のために、リチウム金属の処理、保管、および使用は、環境に対して非常に厳しいものです。そのため、リチウム電池は長い間使用されていません。科学技術の発展に伴い、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。二次電池の第5世代リチウム金属電池は1996年に誕生し、その安全性、比容量、自己放電率、性能価格比はリチウムイオン電池よりも優れています。独自の高い技術的要件のため、国内でこのようなリチウム金属電池を製造している企業はごくわずかです。

リチウム金属電池：

リチウム金属電池は、一般に、正極材料として二酸化マンガン、負極材料として金属リチウムまたはその合金金属、および非水性電解質溶液を使用する電池である。

リチウム電池の基本原理

リチウム電池の基本原理

放電反応：Li + MnO2 = LiMnO2

リチウムイオン電池：

リチウムイオン電池は、一般に、正極材料としてリチウム合金金属酸化物、負極材料としてグラファイト、および非水電解質を使用する電池である。

帯電した正極で起こる反応は

LiCoO2 == Li（1-x）CoO2 + XLi ++ Xe-（電子）

帯電した負極で起こる反応は

6C + XLi ++ Xe- = LixC6

二次電池の総反応：LiCoO2 + 6C = Li（1-x）CoO2 + LixC6

ポジティブ

陰極材料：多くのオプションの陰極材料があり、主流の製品のほとんどはリン酸鉄リチウムを使用しています。さまざまなカソード材料の比較：

LiCoO2

3.7V

140mAh / g

Li2Mn2O4

4.0V

100mAh / g

LiFePO4

3.3V

100mAh / g

Li2FePO4F

3.6V

115mAh / g

正極反応：放電中にリチウムイオンが埋め込まれ、充電中にリチウムイオンがデインターカレートされます。充電時：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi ++ xe-放電：Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- → LiFePO4。

負極

陽極材料：グラファイトが主に使用されます。新しい研究により、チタン酸塩がより良い材料である可能性があることがわかりました。

負電極反応：リチウムイオンは放電中にデインターカレートされ、リチウムイオンは充電中に埋め込まれます。

充電時：xLi ++ xe- + 6C → LixC6

放電時：LixC6 → xLi ++ xe- + 6C

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。リチウム電池は自己放電率が非常に低く、放電電圧がフラットであるため、人体に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ボルトを超えるため、集積回路電源としての使用に適しています。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。

より優れた品種を開発するために、さまざまな材料が研究され、前例のない製品が生み出されました。

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、携帯電話、ノートブック、電卓などの携帯型電子機器の重量と体積が大幅に削減されました。

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