リチウムイオン電池のエネルギー密度分析

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まったく新しいレベルに達することを期待しているので、製品の寿命や走行距離はもはや製品を悩ます主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、エネルギー密度が高まっています。しかし、人間のエネルギー需要の程度に比べて、産業規模の発展の速度に比べて増加の速度は遅すぎます。人間の進歩がここの「バッテリー」にとどまっていると主張する人さえいます。もちろん、世界がどこにでも（携帯電話の信号のように）無線で無線で電気を送ることができれば、人間はもはや電池を必要とせず、社会の発展は当然それら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という事実を考慮して、世界のすべての国が関連する電池業界の政策目標を策定し、電池業界がエネルギー密度に大きな飛躍をもたらすことを期待しています。中国、米国、日本などの政府や業界団体が設定した2020年の目標は、基本的に300 Wh / 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、500 Wh / kg、さらには700 Wh / kgに到達することです。電池業界は、この目標を達成する前に、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？

私たちが以前に分析したことは、バッテリーのリチウム元素が実際に電気エネルギー担体として使用されているということです。他の物質は「廃棄物」ですが、それらは安定した、継続的で安全な電気エネルギー担体を得るためのものです。これらの「廃棄物」も欠かせません。の。たとえば、リチウムイオン電池では、リチウムの品質は一般に1％強であり、残りの99％の成分はエネルギー貯蔵機能を実行しない他の物質です。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した。この真実は普遍的に正しいようです。 1％は赤い花で、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、最初にやりたいことは、リチウムの比率を増やしながら、できるだけ多くのリチウムイオンを正極から流し、負極に移動させてから、負極から戻すことです。正極への数（減らすことはできません））、絶えず動くエネルギー。

1.正の極性活性物質の割合を増やす

正の活性物質の割合の増加は、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も増加します。したがって、特定の体積と重量の制限の下で、より多くの正の極性活性物質などが存在することを期待しています。

2.負の活性物質の割合を増やす

これは実際には正の極性の活性物質の増加に対応するためであり、泳いでエネルギーを蓄えるリチウムイオンに対応するには、より多くの負の極性の活性物質が必要です。負極が十分に活性でない場合、追加のリチウムイオンは、内部に埋め込まれるのではなく、負極表面に堆積し、不可逆的な化学反応と電池容量の減衰を伴います。

3.ポジティブマテリアルの比容量（グラム単位）を増やします

正の極性活性物質の割合は限られており、無期限に増やすことはできません。正極性の活性物質の総量が一定であるという条件下では、できるだけ多くのリチウムイオンのみが正極から引き出され、化学反応に関与してエネルギー密度を高めることができます。したがって、正極性の活性物質と比較して、みなし層状リチウムイオンの品質が高い、つまり容量指数よりも高いことを期待します。

これが、コバルト酸リチウムからリン酸鉄リチウム、三成分材料まで、すべてこの目標に向けたさまざまなポジティブ材料を研究して選択する理由です。

以前に分析したように、リチウムコバルト酸は137mAh / gに達する可能性があり、リチウムマンガン酸とリチウム鉄リン酸塩は約120mAh / gの実際の値を持ち、ニッケルコバルトマンガンは180mAh / gに達する可能性があります。アップグレードしたいのであれば、新しいポジティブな素材を研究し、工業化を進める必要があります。

4.負極材料の比容量を増やします

相対的に言えば、負極材料の比容量は、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。ただし、負極の比容量をさらに大きくすると、より少ない質量の負極材料でより多くのリチウムイオンを収容できることを意味します。エネルギー密度を高めるという目標を達成するため。

負極としてグラファイトカーボン材料を使用すると、理論上の比容量は372 mAh / gです。これに基づいて研究されたハードカーボン材料とナノカーボン材料は、比容量を600 mAh / g以上に増やすことができます。スズおよびシリコンベースの負極材料は、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、注目の研究の方向性です。

5.体重を減らす

正および負の活性物質に加えて、電解質、分離膜、バインダー、導電剤、収集液、マトリックス、シェル材料などはすべてリチウムイオン電池の「自重」であり、電池全体の重量を占めています。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を上げることもできます。

この点に関して、合理的な解決策を見つけるために、電解質、分離フィルム、バインダー、マトリックスおよび収集流体、シェル材料、製造プロセスなどを詳細に調査および分析する必要があります。すべての側面を改善することにより、バッテリーの全体的なエネルギー密度を1つの振幅だけ増加させることができます。

上記の分析から、リチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることは体系的なプロジェクトであることがわかります。製造工程の改善、既存の材料の性能の改善、新しい材料や新しい化学システムの開発の観点から、短期、中期、長期の解決策を見つける必要があります。

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