リチウム電池の基本原理、主成分、概要

リチウム電池の基本原理、主成分、概要

リチウムイオン電池とは、使い切ったときに捨てた一次電池ではなく、繰り返し充電できる二次リチウムイオン電池のことです。

リチウムイオン電池は私たちの生活の隅々に行き渡っています。アプリケーションには、携帯電話、タブレット、ラップトップ、スマートウォッチ、モバイル電源、非常用電源、かみそり、電動自転車、電気自動車、電気バスが含まれます。観光車、ドローン、その他の種類の電動工具。電気エネルギーのキャリアであり、多くのデバイスの電源として、リチウムイオン電池がなければ、今日の物質的な世界は再生できないと言えます（数十年前に戻りたくない限り）。それで、リチウムイオン電池の幽霊は何ですか？

この記事は、人気のあるバッテリーの基本原理と開発履歴ではありません。興味のある方はBaiduをチェックしてください。ここにはたくさんの話があります。物理学と化学の分野の基本的な理論は、基本的にアインシュタイン以前の人々の波によって作られました。バッテリーはこれら2つの分野に直接関係しています。バッテリーに関する理論は、第二次世界大戦前に研究されてきました。第二次世界大戦後、ほとんど大きな革新はありませんでした。電池技術の一種として、リチウムイオン電池に関する関連する理論的研究は、近年、ブレークスルーをもたらしていません。研究のほとんどは、材料、配合、プロセスなど、つまり、工業化の程度と研究パフォーマンスを向上させる方法に焦点を当てています。より優れたリチウムイオン電池（より多くのエネルギーがより長く蓄積され、使用されます）。

多くの人がリチウムイオン電池を使用しており、多くの人がリチウムイオン電池（上記の製品など）の用途を研究していますが、ほとんどの人はリチウムイオン電池についてほとんど知らないか、常に霧を見ています。 。この記事の執筆の目的は、リチウムイオン電池を開発したい人ではなく、製品にリチウムイオン電池を使用しているエンジニアやリチウムイオン電池のユーザーを対象としています。そのため、この記事はわかりやすく、専門用語や式を使わないように心がけており、読みやすくすることで、リチウムイオン電池に対する理解を深め、質問への回答に役立つことを願っています。

著者はリチウムイオン電池の分野の専門家ではありません。彼はリチウムイオン電池セルの研究開発には携わっていませんが、リチウムイオン電池アプリケーションの研究に長い間携わっています。したがって、彼は「ユーザー」の視点に立って、リチウムイオン電池の理解を説明したいと考えています。通常のユーザーは通常、リチウムイオン電池を直接リチウム電池と呼びます。 2つは同じではありませんが、リチウムイオン電池は確かに現在のリチウム電池の絶対的な本体です。

本文中の内容のほとんどは私のオリジナルではありませんが、巨人の肩の上に立っている既存の知識は、まっすぐに立ち、頭を上げ、世界が目の前にあるということです。

第二に、リチウムイオン電池の基本原理

1.エネルギーのキャリアを選択する方法

まず、誰もが尋ねるでしょう、なぜエネルギー担体としてリチウムを選ぶのですか？

さて、化学の知識を見直したくはありませんが、この問題は周期表に行って答えを見つける必要があります。幸いなことに、あなたはまだ周期表を覚えていますか？！本当に覚えていません。下の表を見てみましょう。

優れたエネルギーキャリアになるために、できるだけ少ない量と重量でより多くのエネルギーを貯蔵し、運びます。したがって、次の基本的な条件を満たす必要があります。

1）原子の相対質量が小さい

2）電子を獲得および喪失する強力な能力

3）電子伝達率が高い

これらの3つの基本原則に基づいて、周期表の上の要素は下の要素よりも優れており、左側の要素は右側の要素よりも優れています。最初のスクリーニングでは、周期表の最初と2番目のサイクルで、水素、ヘリウム、リチウム、セシウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、アンチモンの材料しか見つかりません。不活性ガスと酸化剤を除いて、水素、リチウム、ヘリウム、ホウ素、炭素の5つの元素だけが残ります。

水素は自然界で最高のエネルギー担体であるため、水素燃料電池の研究が盛んに行われており、バッテリー分野で非常に有望な方向性を示しています。もちろん、核分裂技術が今後数十年で大きな進歩を遂げ、小型化、さらには小型化が可能であれば、携帯型核燃料電池には幅広い開発の余地があります。

次のステップはリチウムです。バッテリーとしてリチウムを選択することは、地球の現在のすべての要素に基づいています。比較的良い解決策を見つけることができます（铍の埋蔵量が少なすぎる、レアメタルのレアメタル）。電気自動車の分野では、水素燃料電池とリチウムイオン電池の技術ルートが本格化しています。おそらくこれらの2つの要素のために、それは私たちが今見つけることができるより良いエネルギーキャリアです。もちろん、多くの商業的利益や政治的ゲームさえあります。これらは、この記事で説明する領域ではありません。

ちなみに、石油、天然ガス、石炭など、自然界にすでに存在し、人間が広く利用しているエネルギーも、炭素、水素、酸素などの元素で構成されています（第1、第2サイクル）周期表の）。したがって、それが自然な選択であろうと人間の「デザイン」であろうと、それは最終的には同じです。

2.リチウムイオン電池の動作原理

リチウムイオン電池の動作メカニズムについてお話しましょう。ここでは、酸化還元反応については説明しません。化学の基礎が良くないか、すでに化学の知識を先生に返した人はめまいがするので、まだ簡単な説明があります。ここに写真を借りると、この写真はリチウムイオン電池の原理を理解しやすくなります。

使用習慣に応じて、充電と放電の電圧差により、プラス（+）とマイナス（-）を区別します。ここではアノードとカソードについては触れていませんが、これは時間と手間がかかります。この図では、電池の正極材料はコバルト酸リチウム（LiCoO2）であり、負極材料はグラファイト（C）です。

帯電すると、印加電界の影響下で、正極材料のLiCoO2分子内のリチウム元素が分離され、正に帯電したリチウムイオン（Li +）になります。電界力の作用により、正極から負極に移動し、負極に炭素原子が化学的に反応してLiC6を形成するため、正極から流出したリチウムイオンが「安定して」埋め込まれます。負極のグラファイト層状構造で。正極から負極に移動するリチウムイオンが多いほど、バッテリーはより多くのエネルギーを蓄えることができます。

放電が正反対の場合、内部電界が回転し、リチウムイオン（Li +）が負極から分離され、電界の方向に戻って正極に戻り、コバルト酸リチウム分子（LiCoO2）になります。 。負極から正極に移動するリチウムイオンが多いほど、バッテリーが放出できるエネルギーが多くなります。

各充放電サイクル中、リチウムイオン（Li +）は電気エネルギーのキャリアとして機能し、正極から負極、正極への移動が前後に往復し、正極と負極の材料と化学的に反応します。化学エネルギーと電気エネルギーを変換します。 「リチウムイオン電池」の基本原理である電荷の移動を実現します。電解質やセパレーターなどはすべて電子の絶縁体であるため、このサイクルでは電子が正極と負極の間を行き来することはなく、電極の化学反応にのみ関与します。

3.リチウムイオン電池の基本構成

上記の機能を実現するために、リチウムイオン電池は、正極活物質、負極活物質、セパレーター、電解質など、いくつかの基本的な材料を内部に含む必要があります。これらの資料の機能について簡単に説明しましょう。

正極と負極を理解することは難しくありません。電荷移動を実現するには、電位差のある正と負の材料が必要です。有効成分は何ですか？バッテリーは電気エネルギーと化学エネルギーを相互に変換して、エネルギーの貯蔵と放出を実現することを私たちは知っています。このプロセスを実現するには、正極と負極の材料が化学反応に参加しやすく、活性であり、酸化と還元が容易であり、エネルギー変換を実現するために「活性物質」が必要です。バッテリーの正極と負極を作ります。

前述のように、私たちの電池にはリチウムが好ましい材料です。電極の活物質としてリチウム金属を使用してみませんか？これは達成できる最大のエネルギー密度ではありませんか？

上の写真を見てみましょう。酸素（O）、コバルト（Co）、リチウム（Li）は、非常に安定したカソード材料構造（図の比率と配置は参考用）と、アノードグラファイトの炭素原子を構成します。配置はまた非常に安定した層状構造を持っています。ポジティブおよびネガティブ材料は、活性であるだけでなく、秩序だった制御可能な化学反応を達成するための非常に安定した構造を持っています。不安定性の結果は何ですか？ガソリンの燃焼と爆弾の爆発を考えると、エネルギーは激しく放出されます。この化学反応の過程を正確に制御することは不可能であるため、化学エネルギーは熱エネルギーになり、エネルギーは一度に放出され、不可逆的です。

金属の形のリチウム元素はあまりにも「生きている」、そしていたずらな子供たちはほとんど不従順で破壊するのが好きです。リチウム電池に関する初期の研究は、リチウム金属またはその合金を負極として使用する方向に焦点を合わせていましたが、安全上の問題のために、他のより良い方法を見つける必要がありました。近年、エネルギー密度の追求により、この研究の方向性は「全血復活」の傾向にありますが、これについては後で説明します。

エネルギーの貯蔵と放出の間の化学的安定性、つまりバッテリーの充電と放電のサイクルの安全性と長寿命を実現するには、アクティブにする必要があるときにアクティブで、安定する必要があるときに安定する電極材料が必要です。 。長期にわたる研究と調査の結果、人々は、コバルト酸リチウム、チタン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン三元電池などのいくつかの金属酸化物リチウムを、電池の活性電極または負極として発見しました。上記の問題を解決します。上図に示すように、リン酸鉄リチウムのかんらん石構造も正極材料の非常に安定した構造であり、充電および放電中のリチウムイオンの脱インターカレーションは格子崩壊を引き起こしません。話題から外れたリチウム金属電池は確かにありますが、リチウムイオン電池と比較すると、ほとんど無視できる程度であり、技術の開発であり、最終的には依然として市場に貢献する必要があります。

もちろん、安定性の問題を解決する一方で、深刻な「副作用」ももたらします。つまり、エネルギー担体としてのリチウムの割合が大幅に減少し、エネルギー密度が1桁以上減少するため、損失、自然な方法。

負極は通常、活物質としてグラファイトまたは他の炭素材料を選択します。また、上記の原則に従います。優れたエネルギーキャリアが必要で、比較的安定しています。また、炭素を求めて大規模な製造を行うための埋蔵量も比較的豊富です。この要素は比較的優れたソリューションです。もちろん、これが唯一の解決策ではありません。アノード材料の研究は非常に広範囲であり、後で説明します。

電解質とは何ですか？一般的に言えば、プール内の「水」はリチウムイオンが自由に泳ぐことを可能にするため、イオン伝導率が高く（水泳に対する抵抗が小さい）、電子伝導率が小さい（絶縁）、化学的安定性が良好（安定性が圧倒的）、熱安定性は良好で（すべて安全のため）、潜在的なウィンドウは広くなければなりません。これらの原理に基づいて、長期にわたる工学的調査の結果、人々は、特定の条件下で特定の比率で、高純度の有機溶媒、電解質リチウム塩、および必要な添加剤から調製された電解質を発見しました。有機溶媒は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）、ＥＣ（エチレンカーボネート）、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）、ＤＥＣ（ジエチルカーボネート）、ＥＭＣ（エチルメチルカーボネート）などである。電解質リチウム塩には、LiPF6やLiBF4などの材料が含まれています。

セパレータは、プラスとマイナスの材料が直接接触するのを防ぐために追加されています。電池をできるだけ小さくし、できるだけ多くのエネルギーを蓄えることで、正極と負極の距離がどんどん短くなっていきたいと考えています。大きなリスクになります。正と負の材料の短絡を防ぎ、エネルギーの激しい放出を防ぐために、セパレータの原点である材料で正と負の電極を「分離」する必要があります。セパレータは、主にリチウムイオンのチャネルを開いて自由に通過できるようにすると同時に、正極と負極の間の絶縁を実現するための電子の絶縁体であるために、良好なイオン透過性を備えている必要があります。現在、市販されているセパレーターには、主に単層PP、単層PE、二層PP / PE、三層PP / PE / PP複合フィルムがあります。

4.リチウムイオン電池の完全な材料組成

上記の4つの主要な材料に加えて、リチウムイオン電池を実験室での「実験製品」から商品化できる製品に変えるためには、他の不可欠な材料が必要です。

まず、活物質に加えて、電池の正極、導電剤とバインダー、および電流キャリアとして使用される基板と集電体（正極は通常アルミホイル）を見てみましょう。 。バインダーは、リチウム金属酸化物を活物質として正のベースストリップに均一に「固定」する必要があり、導電剤は、活物質と基板の導電性を高めて、より大きな充放電電流と集電体を実現する必要があります。バッテリーとして機能する責任があります。内部および外部の電荷移動ブリッジ。

負極の構造は正極の構造とほぼ同じであり、活物質グラファイトを固定するために接着剤が必要です。銅箔は基板として、また電流の導体として機能する集電体として必要ですが、グラファイト自体は導電性が良好であるため、負極には一般に導電剤が含まれていません。

上記の材料に加えて、完全なリチウムイオン電池には、絶縁シート、カバープレート、圧力逃がし弁、ハウジング（アルミニウム、鋼、複合膜など）、およびその他の補助材料も含まれています。

5.リチウムイオン電池の製造工程

リチウムイオン電池の製造プロセスは複雑であり、ここではいくつかの重要なプロセスについて簡単に説明します。ポールピースの組み立て方法にもよりますが、通常、巻き取りとラミネートの2つのルートがあります。

積層工程は、正極と負極を細かく切り、セパレーターを積層して小さなセルを作り、次に小さなセルを並列に積み重ねて大きなセルを作る製造工程です。一般的なプロセスフローは次のとおりです。

巻取り工程は、正極、負極、セパレーター、正極、負極、保護テープ、終端テープ等を装置に固定し、電池を巻き戻して装置を完成させる。

リチウムイオン電池の一般的な形状は主に円筒形と正方形であり、ケーシングの材質が異なるため、金属製のケーシングと柔らかいケーシングがあります。

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