ポリマーリチウムイオン電池技術の議論と分析

1リチウムイオン電池構造の特徴

リチウムイオン電池の正と負の活物質は、埋め込まれた化合物です。 Li +は充電中に正極から除去され、電解液を介して負極に挿入されます。それどころか、バッテリーの充電および放電プロセスは、実際には2つの電極間の前後に埋め込まれたLi +です。取り出す過程で、このバッテリーは「ロッキングチェアバッテリー」（略してRCB）とも呼ばれます。反応図と基本的な反応式は次のとおりです。

2.ポリマーリチウムイオン電池技術

2.1ポリマーリチウムイオン電池の性能特性

ポリマーリチウムイオン電池とは、電解質が固体高分子電解質（SPE）を使用するリチウムイオン電池を指します。電池は、正極集電体、正極膜、高分子電解質膜、負極膜、負極集電体を圧縮して形成され、アルミニウム－プラスチック複合膜で密封され、その端部は、ヒートシールしてポリマーリチウムイオン電池を得る。電解質膜は固体であるため、漏れの問題がなく、電池設計の自由度が高く、必要に応じて直列、並列、双極構造で接続できます。

ポリマーリチウムイオン電池には、次の特徴があります。 2つのより高い質量比エネルギー（MH-Niバッテリーの3倍）; 3最大5Vの電気化学的安定性ウィンドウ幅。 4完璧な安全性と信頼性。 5サイクル寿命が長く、容量損失が少ない。 6ボリューム使用率; 7幅広いアプリケーション。

その動作性能指標は次のとおりです。動作電圧：3.8V。比エネルギー：130Wh / kg、246Wh / L;サイクル寿命：> 300;自己放電：<0.1％/月;動作温度：253-328K;充電速度：1時間80％の容量; 3時間から100％の容量;環境要因：無毒。

2.2カソード材料

リチウムイオン電池の特性と価格は、その正極材料と密接に関係しています。一般に、正極材料は次の条件を満たす必要があります。（1）必要な充電および放電電位の範囲での電解液との電気化学的適合性。 （2）穏やかな電極プロセスの動力学; （3）非常に可逆的。 （4）完全リチウム状態の空気中での良好な安定性、リチウムイオン電池の開発に伴い、高性能で低コストのカソード材料の研究が絶えず進行中です。現在、研究は主にリチウムコバルト酸化物リチウムニッケル酸化物やリチウムマンガン酸化物などのリチウム遷移金属酸化物に焦点を当てています[1]（表1を参照）。

表1リチウムイオン電池の3つの主要なカソード材料の比較

コバルト酸リチウム（LiCoO2）は、α-NaFeO2型構造に属し、リチウムイオンの脱インターカレーションに適した2次元の層状構造を持っています。簡単な準備プロセス、安定した性能、高い比容量、優れたサイクル性能により、現在市販されているリチウムイオン電池のほとんどは、正極材料としてLiCoO2を使用しています。合成法には、主に高温固相合成法、低温固相合成法のほか、シュウ酸沈殿法、ゾルゲル法、冷熱法、有機混合法などのソフトケミカル法があります。

酸化リチウムニッケル（LiNiO2）は、高温安定性に優れた岩塩型構造化合物です。自己放電率が低く、電解質の要件が低く、環境への汚染がなく、比較的豊富な資源とリーズナブルな価格のため、コバルト酸リチウムの有望なカソード材料です。現在、LiNiO2は主にNi（NO3）2、Ni（OH）2、NiCO3、NiOOHとLiOH、LiNO3とLiCO3の固相反応によって合成されています。 LiNiO2の合成はLiCoO2よりも困難です。主な理由は、LiNiO2の化学量論比が高温条件下でLi1-xNi1 + xO2に容易に分解されるためです。過剰なニッケルイオンはNiO2面間のリチウム層にあり、リチウムイオンの拡散を妨げます。材料の電気化学的活性に影響を与えます。Ni3+はCo3 +よりも入手が難しいため、合成は酸素雰囲気で行う必要があります[2]。

二酸化マンガンリチウムは、従来の正極材料を改良したものです。現在、三次元トンネル構造を持ち、リチウムイオンの脱インターカレーションに適したスピネル型LixMn2O4が広く使用されています。酸化マンガンリチウムは、原材料が豊富で、低コストで、無公害で、過充電耐性があり、耐熱性があります。電池の安全保護装置の要件は比較的低く、リチウムイオン電池の最も有望なカソード材料と見なされています。 Mnの溶解、ヤーン・テラー効果、および電解質の分解は、リチウムイオン電池の容量損失の最も重要な原因であると考えられており、正極材料としてリチウムマンガン酸化物が生成されます。

2.3固体高分子電解質。

イオンによって電流が流れる固体材料は、一般に固体電解質と呼ばれ、結晶電解質、ガラス電解質、高分子電解質の３種類があり、固体高分子電解質（ＳＰＥ）は軽量で容易な膜を有する。形成、良好な粘弾性などの利点は、電池、センサー、電解質ディスプレイおよびコンデンサーに使用することができる。リチウムイオン電池にSPEを使用すると、液体電解質の漏れの問題を解消し、電池のセパレータを交換し、電極表面での樹状突起の生成を抑制し、電解質と電極の反応性を低下させ、比エネルギーを向上させることができます。バッテリーの、そしてバッテリーを耐性にします。圧力、耐衝撃性、低製造コスト、簡単な処理。

従来の固体ポリマー電解質（SPE）は、ポリマーとリチウム塩で構成されています。リチウム塩は、リチウム塩がポリマーに溶解している電解質システムです。一般に、分子鎖でLi +と配位することができる酸素、窒素または硫黄などの極性基を有するポリマーを使用して、ポリエチレンオキシド（PEO）、ポリオキシプロピレン、またはポリオキシ複素環、ブタン、ポリエチレンイミンなどのそのようなシステムを形成することができる。ポリ（Ｎ－プロピル－１アジリジン）、ポリサルファイド等。硬酸としてのLi +は硬塩基と相互作用する傾向があるため、窒素と硫黄の極性基を含むポリマーへのリチウム塩の溶解度は、酸素を含む極性基を含むポリマーの溶解度よりも小さく、電気伝導率（σ）非常に低く、実用的な意味はありません。 PEO分子のコンフォメーションは、他のポリエーテル分子よりも陽イオンとの複数の配座を形成し、より多くのリチウム塩を溶解でき、良好な導電性を示すため、PEO +リチウム塩システムがSPEになります。最も初期の最も広く研究されているシステムです。

しかし、従来の固体高分子電解質（SPE）のσ室温は通常10-4S・cm-1未満です。リチウムイオン電池の要件を満たすために、ポリマー/塩システムを追加すると、リチウム塩の解離が促進され、システムの自由体積が増加します。ガラス転移温度（Tg）をスコアリングして下げるゲル化剤は、σ室温が10-3S・cm-1を超えるゲルSPEを生成します。可塑剤は、一般に、高誘電率、低揮発性、ポリマー/塩複合体への混和性、および電極への安定性を有する有機溶媒であり、例えば、エチレンカーボネート（EC）、プロピレンカーボネート（PC）、ジメチルカーボネート、N-メチルピロリドン、スルホランである。 、γ-ブチロラクトンなど。一般的に使用されるリチウム塩は、LiPF6、LiN（SO2CF3）などです。

ポリマーの導電率に影響を与える要因は、XRD、DSC、およびACインピーダンスによって議論されました。

（1）電気伝導率に及ぼすリチウム塩濃度の影響

リチウム塩の濃度が低い場合、高分子電解質の導電率は比較的低く、10〜8のオーダーにすぎません。リチウム塩濃度を上げる過程で、キャリアイオンの濃度が上がると導電率が上がります。そして、塩の濃度が増加し続けると、高いイオン濃度がイオン間の相互作用につながります。増強により、キャリアイオンの移動度が低下し、導電率が低下します。

（2）可塑剤濃度とTgの関係

可塑剤が増加すると、高分子電解質のガラス転移温度が徐々に低下し、室温での高分子電解質のセグメント移動が加速され、その結果、その導電率が増加します。可塑剤の濃度の増加は、高分子電解質の導電率を大幅に増加させるが、それはまた、高分子電解質膜の自立膜形成特性および機械的強度を低下させる。プレポリマー、可塑剤、リチウム塩を配合すると、光または熱により重合反応が始まり、化学結合によりネットワーク構造のゲルSPEが形成されるため、得られたSPEは機械的性質が良好であるだけでなく、ポリマー。結晶化により、SPE内の可塑剤の量が増加し、高いσSPEが得られます。

2.4アノード材料

リチウムイオン電池の容量は、負極のリチウム挿入量に大きく依存します。負極材料は、以下の要件を満たす必要があります。（1）リチウム脱インターカレーション中の電極電位の変化は小さく、金属リチウムに近い。 （2）容量の比率が高い。 （3）より高い充電および放電効率。 （4）電極材料の内部および表面Li +におけるより高い拡散速度。 （5）より高い構造的、化学的および熱的安定性。 （6）低コストで簡単な準備。現在、リチウムイオン電池のアノード材料に関する研究は、主に炭素材料やその他の特殊な構造を持つ金属酸化物に焦点を当てています。

一般に、アノード材料の調製方法は次のとおりです。1軟質炭素を特定の高温で加熱して、高度に黒鉛化された炭素を得る。 ２特殊構造の架橋樹脂を高温で分解して硬質炭素を得る。 3高温熱分解有機物質と水素炭素を含む高分子を調製します。

カーボンアノード材料で克服することの難しさは、容量サイクルの減衰の問題、つまり、固体電解質相界面（SEI）の形成による不可逆的な容量損失です。したがって、高純度で通常の微細構造のカーボンアノード材料の調製は開発の方向性です。

さまざまな金属酸化物のメカニズムは正極材料のメカニズムと類似しており、主な研究の方向性は、新しい構造または複合構造の金属酸化物を取得することです。

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