リチウムイオン電池の構成

リチウムイオン電池はリチウム電池から開発されています。したがって、リチウムイオンを導入する前に、リチウム電池を導入してください。たとえば、以前のカメラで使用されていたボタン電池はリチウム電池のものでした。リチウム電池の正極材料は二酸化マンガンまたは塩化チオニルであり、負極はリチウムです。バッテリーを組み立てた後、バッテリーには電圧があり、再充電する必要はありません。このバッテリーも充電されている可能性がありますが、サイクル性能は良くありません。充電と放電のサイクル中に、リチウムデンドライトが形成されやすくなり、バッテリーが短絡します。したがって、このタイプのバッテリーは一般的に禁止されています。充電。その後、日本のソニー株式会社は、炭素材料の負極とリチウム含有化合物の正極を発明しました。充電と放電の過程で、金属リチウムはなく、リチウムイオン電池であるリチウムイオンだけがありました。バッテリーが充電されると、バッテリーの正極でリチウムイオンが生成され、結果として生じるリチウムイオンは電解液を通って負極に移動します。負極としての炭素は層状構造になっています。それは多くの微細孔を持っています。負極に到達したリチウムイオンは、炭素層の微細孔に埋め込まれます。埋め込まれるリチウムイオンが多いほど、充電容量は高くなります。同様に、バッテリーが放電されると（つまり、バッテリーを使用するとき）、負の炭素層に埋め込まれたリチウムイオンが除去され、正極に戻ります。正極に戻るリチウムイオンが多いほど、放電容量は大きくなります。私たちが通常バッテリー容量と呼ぶものは、放電容量を指します。リチウムイオンの充電と放電の過程で、リチウムイオンは正極→負極→正極から運動状態にあります。 Li-ionGatesはロッキングチェアのようなものです。ロッキングチェアの端はバッテリーのポールであり、リチウムイオンはアスリートのようにロッキングチェア内を前後に流れます。したがって、リチウムイオン電池はロッキングチェア電池とも呼ばれます。

1、1つのカソード材料の性能と一般的な調製方法

正極のイオンの輸送特性を特徴付ける重要なパラメータは、化学拡散係数です。一般に、正極性活性物質中のリチウムイオンの拡散係数は比較的低い。リチウムは、結晶の位相の変化を伴って、正極材料に埋め込まれるか、または正極材料から除去されます。したがって、リチウムイオン電池の電極膜は非常に薄く、一般に数十マイクロメートルのオーダーです。カソード材料のリチウム埋め込み化合物は、リチウムイオン電池のリチウムイオンの一時的な保管容器です。より高い電池電圧を得るためには、電位の高いリチウム包埋化合物が好ましい。ポジティブマテリアルは以下を満たす必要があります。

1）必要な充電および放電電位範囲内の電解質溶液との電気化学的適合性。

2）中程度の電極プロセスダイナミクス。

3）高い可逆性;

4）完全にリチウム化された状態の空気中での安定性

研究の焦点は、主に層状LiMO2とスピネルLiM2O4構造の化合物、および2種類のM（MはCo、Ni、Mn、Vなどの遷移金属イオン）の類似の電極材料にあります。リチウムイオン電池の正極材料として、デインターカレーションおよび埋め込み中のLi +イオンの構造変化の程度と可逆性が、電池の安定した繰り返し充電および放電特性を決定します。正極材料の調製において、原材料の特性と合成プロセス条件は、最終的な構造に影響を与えます。研究の主要な問題であるサイクリング中の静電容量を低減するために、さまざまな有望なカソード材料が使用されてきました。市販の正極材料は、Li1-xCoO2（0 <x <0.8）、Li1-xNiO2（0 <x <0.8）、LiMnO2 [7] [8]です。リチウムイオン電池の正極材料として長所と短所があります。コバルト酸リチウムを正極としたリチウムイオン電池は、開回路電圧が高く、比エネルギーが大きく、サイクル寿命が長く、充放電が速いなどの利点がありますが、安全性は劣ります。リチウムニッケル酸化物はリチウムコバルト酸化物よりも安価であり、その性能はリチウムコバルト酸化物と同等です。優れたリチウムインターカレーション性能を備えていますが、準備が困難です。リチウムマンガン酸化物は安価でありながら、比較的容易に調製でき、過充電および安全性能は良好ですが、リチウム挿入容量が低く、スピネル構造が充放電されません。安定しています。アプリケーションの見通しの観点から、豊富なリソース、低コスト、無公害、および過充電時の電圧制御と回路保護の低要件の追求、高性能カソード材料は、リチウムイオン電池のカソード材料の研究になります。フォーカス。 LiVO2は層状化合物を形成することもあり、正極材料として使用できることが海外で報告されています[9]。これらの報告から、電極材料の化学組成は同じですが、調製プロセスが変わると性能がさらに変化することがわかります。成功している市販の電極材料は、中国での現在の研究のギャップである準備プロセスに独自の特徴を持っています。さまざまな調製方法の長所と短所を以下に示します。

1）固相法は、一般に炭酸リチウムやコバルト化合物などのリチウム塩、または粉砕・混合後のニッケル化合物を用いて焼結反応を行います[10]そして...この方法の利点は、プロセスが簡単で、原材料が入手しやすい。これは、リチウムイオン電池の初期の開発で広く研究開発されてきた方法に属しています。外国の技術はもっと成熟しています。欠点は、正極材料の静電容量の制限、原材料の混合均一性の低さ、調製された材料の性能安定性の低さ、およびバッチとバッチ間の品質の一貫性の低さです。

2）リチウムイオンとコバルトまたはバナジウムイオンを含む錯体前駆体は、最初に錯体法によって調製され、次に焼結されます。この方法の利点は、分子スケールが混合され、材料の均一性と性能の安定性が良好であり、カソード材料の電気容量が固相法よりも高く、リチウムイオン電池として使用される工業化方法が海外ではテストされていません。技術は成熟しておらず、中国での報告はほとんどありません。

3）1970年代に開発されたゾルゲル法

超微粒子の作製方法やカソード材料の作製方法は、複雑な方法の利点があり、作製した電極材料の電気容量が大幅に向上し、国内外で急速に発展している方法です。不利な点は、コストが高く、技術がまだ開発段階にあることです[11]。

4）イオン交換法で調製されたLiMnO2 Armstrong etal。イオン交換法により、270mA・h / gという高い値の可逆放電容量が得られました。この方法は、新しい研究のホットスポットになっています。安定した電極性能と高静電容量を備えています。特徴。しかし、このプロセスには溶液結晶化蒸発などの時間のかかるステップが含まれ、実際のアプリケーションからはまだかなりの距離があります。

正極材料の研究は、その静電容量が年間30〜50 mA・h / gの割合で増加しており、その開発はますます小さな微細構造と大きな静電容量を持つリチウム埋め込み化合物になる傾向があることを外国の文献から見ることができます。原料の規模はナノメートルレベルに向かって進んでおり、リチウム包埋化合物の構造に関する理論的研究はある程度進んでいますが、その開発理論はまだ変化しています。リチウム電池の容量を増やし、この分野を悩ませている循環容量を減らすという問題は、問題を克服するために他のコンポーネントを追加するために研究者によって提案されました[12] [13] [14] [15] [16] [17]そして...しかし、現在、これらの方法の理論的メカニズムは明確に研究されておらず、日本の学者ヨシオをリードしています。西は、過去10年間、この分野で実質的な進展はほとんどなかったと信じており、さらに研究することが急務である。

2、2負偏光材料の特性と一般的な調製方法

負極材料の導電率は一般に高く、様々な炭素材料や金属酸化物など、リチウム電位に可能な限り近い電位を有するリチウム包埋化合物が選択される。リチウムイオンの可逆的な埋め込みおよび取り外しのための負極材料の要件は次のとおりです。

1）リチウムイオンの埋め込み反応における自由エネルギーの小さな変化。

2）リチウムイオンは負極の固体構造で高い拡散率を持っています。

3）可逆性の高い埋め込み反応。

4）良好な導電性;

5）熱力学的に安定しており、電解質と反応しません。

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。グラファイト、ソフトカーボン、中相カーボンミクロスフェアが中国で開発され、研究されてきました。ハードカーボン、カーボンナノチューブ、バッキーボールC60が研究されています[18] [19] [20] [21] [22] [23]。日本本田技研工業株式会社佐藤ほか負極にはポリパラフェニレン（PPP）の熱分解生成物PPP-700（PPPを一定の加熱速度で700℃に加熱し、一定時間得られた生成物を熱溶解）を使用し、可逆容量は同じくらい高かったできるだけ。 680mA・h / g。米国MITのMJMatthewsは、PPP-700のリチウム貯蔵容量（貯蔵容量）が1170mA・h / gに達する可能性があると報告しました。リチウム貯蔵容量が1170mA・h / gであり、リチウム挿入量が増加し、リチウムイオン電池の性能が向上する場合、著者は、今後の研究はより小さなナノスケールのリチウムインターカレーションに焦点を当てると考えています。微細構造。炭素負極の研究と同時に、Li + / Li電位と同様の電位を持つ他の負極材料の探索に注目が集まっています。リチウムイオン電池に使用されている炭素材料には、2つの問題があります。

1）電圧ラグ、つまり、リチウムの埋め込み反応は0〜0.25 V（Li + / Liに対して）で実行され、埋め込み解除反応は1V付近で発生します。

2）リサイクル能力は徐々に低下します。 12〜20サイクル後、容量は400〜500 mA・h / gに減少します。

理論のさらなる深化は、さまざまな高純度の構造化された原材料と炭素材料の準備と、より効果的な構造特性評価方法の確立に依存しています。日本の富士株式会社は、リチウムイオン電池用の新しいタイプのスズ複合酸化物ベースの負極材料を開発しました。また、既存の研究は主に一部の金属酸化物に焦点を当てており、その品質はカーボン負極材料に比べて大幅に改善されています。 SnO2、WO2、MoO2、VO2、TiO2、LixFe2O3、Li4 Ti5O12、Li4 Mn5O12など[24]ですが、炭素電極ほど成熟していません。炭素材料中のリチウムの可逆的高貯蔵メカニズムには、主にリチウム分子Li2形成メカニズム、多層リチウムメカニズム、格子マトリックスメカニズム、弾性グローバル弾性ネットワークモデル、層状側面リチウム貯蔵メカニズム、ナノメートルグラファイト貯蔵リチウムメカニズム、炭素が含まれます。リチウム-水素メカニズムと微細孔リチウム貯蔵メカニズム。炭素材料の1つであるグラファイトは、リチウムとグラファイト包埋化合物（グラファイトインターナショナルコンパウンド）LiC6を形成することが長い間見出されてきましたが、これらの理論はまだ開発段階にあります。負極材料を克服することの難しさも静電容量の周期的減衰の問題ですが、高純度で構造の整った微細構造のカーボンネガティブ材料の調製が開発の方向性であることが文献から知られています。

負極材料を調製するための一般的な方法は、以下のように要約することができる。

1）ソフトカーボンを特定の高温で加熱して、高度にグラフ化されたカーボンを取得します。リチウムグラファイトイオン性化合物の分子式はLiC6であり、グラファイトへのリチウムイオンの埋め込みおよび脱埋め込みプロセスの動的変化、グラファイト構造と電気化学的特性の関係、不可逆的な容量損失の理由、および改善方法が研究されています。多くの研究者によって。 2）特殊な構造を持つ架橋樹脂を高温で分解して得られる硬質炭素の構造は、黒鉛炭素よりも可逆容量が大きく、原料の影響を大きく受けます。しかし、これらの炭素構造のナノポアは、リチウムインレイの含有量により大きな影響を与えると一般に考えられています。この研究は主に、特別な分子構造を持つポリマーを使用して、より多くのナノメートルの微細孔を含む硬質炭素を調製することに焦点を当てています[25] [26] [27]。

3）有機物とポリマーの高温熱分解によって調製された炭化水素[28] [29]。このタイプの材料は、600〜900 mA・h / gの可逆容量を持っているため懸念されますが、その電圧遅れとサイクル容量の減少が、そのアプリケーションの最大の障害です。調製方法の改善と理論的メカニズムの説明が研究の焦点となるでしょう。

4）さまざまな金属酸化物のメカニズムはカソード材料のメカニズムと類似しています[24]、

また、研究者は、主な研究の方向性が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あることに気づきました。

5）リチウムを組み込んだ材料として、カーボンナノチューブとバッキーボールC60も現在の研究の新しいホットスポットであり、ナノ材料研究の一分野となっています。カーボンナノチューブとバッキーボールC60の特殊な構造により、大容量のリチウムインターカレーション材料に最適です[22] [23] [30]。理論的には、ナノ構造は現在利用可能な材料よりも高いリチウム挿入容量を提供でき、その微細構造は広く研究され、大きな進歩を遂げましたが、優れた性能を得るために適切な積層方法を準備する方法。電極材料、これは研究の重要な方向性であるはずです[31] [32] [33]。

3、結論

要約すると、リチウムイオン電池の負極活物質の研究開発は世界で非常に活発であり、大きな進歩を遂げています。材料の結晶構造は規則的であり、充電および放電中の構造の不可逆的な変化は、大容量で長いサイクル寿命を備えたリチウムイオン電池を得るための鍵です。ただし、リチウム埋め込み材料の構造と特性は、この分野で最も弱いリンクです。リチウムイオン電池の研究は、常に更新されている電池システムの一種です。物理学と化学の多くの新しい研究結果は、ナノ固体電極などのリチウムイオン電池に大きな影響を与え、リチウムイオン電池のエネルギー密度と電力密度を高める可能性があります。これにより、リチウムイオン電池。要するに、リチウムイオン電池の研究は、化学、物理学、材料、エネルギー、電子工学などの多くの分野を含む分野横断的な分野です。この分野での進歩は、化学発電業界や業界からかなりの関心を集めています。電極材料の構造と性能の関係の研究が深まるにつれ、分子レベルから設計されたドープ複合構造を備えたさまざまな正規化構造または正および負の材料がリチウムイオンの研究と応用を積極的に促進することが期待できます。電池。リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池に次ぐ、市場の見通しが最も良く、長期的には開発が最も早い2番目のタイプの電池になります。

バッテリーの分類にはさまざまな方法があります。分類方法は大きく3つのカテゴリーに分けられます。

タイプI：アルカリ電池を含む電解質の種類によって分類されます。電解質は主に水酸化カリウム水溶液をベースにした電池で、アルカリ亜鉛マンガン電池（一般にアルカリマンガン電池またはアルカリ電池として知られています）、カドミウムニッケル電池、水素ニッケル電池などです。 、など;鉛蓄電池などの酸性電池、主に媒体としての硫酸水溶液。亜鉛マンガン乾電池（一部の消費者は酸性電池とも呼ばれます）、海水活性化電池など、塩溶液を媒体として使用する中性電池。有機電解質電池、主にリチウム電池、リチウムイオン電池などの有機溶液を媒体とした電池。

2番目のタイプ：作業の性質と保管方法に応じて、次のものが含まれます。一次電池（一次電池とも呼ばれます）、亜鉛マンガン乾電池、リチウム一次電池などの充電できないIE電池。二次電池、水素ニッケル電池、リチウムイオン電池、カドミウムニッケル電池などの充電式電池。バッテリーは通常、鉛蓄電池と呼ばれ、二次電池でもあります。燃料電池、つまり、水素や酸素燃料電池などの活物質は、バッテリーが作動しているときに外部からバッテリーに継続的に追加されます。蓄電池、つまり、蓄電池は保管時に電解質に直接さらされることはなく、海水活性化電池としても知られるマグネシウム-塩化銀電池など、電池が使用されるまで電解質は追加されません。

3番目のカテゴリ：電池に使用されているプラスとプラスの材料によると、次のものが含まれます。亜鉛マンガン電池、亜鉛銀電池などの亜鉛シリーズ電池。カドミウムニッケル電池、水素ニッケル電池などのニッケルシリーズ電池。鉛蓄電池などの鉛シリーズ電池。リチウムシリーズ電池、リチウムマグネシウム電池;亜鉛マンガン電池、アルカリマンガン電池などの二酸化マンガンシリーズ電池。亜鉛空電池などの空気（酸素）シリーズ電池。

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