鉄リチウム電池とリチウムポリマー電池の長所と短所の比較。

リチウムイオン電池の性能は、主に使用する電池の内部材料の構造と性能に依存します。これらの電池の内部材料には、負極材料、電解質、ダイアフラム、および正極材料が含まれます。その中で、正極材料と負極材料の選択と品質は、リチウムイオン電池の性能と価格を直接決定します。したがって、安価で高性能な正および負の材料の研究は、常にリチウムイオン電池産業の発展の焦点でした。ネガティブマテリアルは一般的にカーボンマテリアルを使用しており、現在の開発は比較的成熟しています。正極材料の開発は、リチウムイオン電池の性能と価格のさらなる改善を制限する重要な要因になっています。現在市販されているリチウムイオン電池では、カソード材料のコストが総バッテリーコストの約40％を占めています。カソード材料の価格の引き下げは、リチウムイオン電池の価格の引き下げを直接決定します。これは特にリチウムイオンパワーセルに当てはまります。たとえば、携帯電話用の小型リチウムイオン電池は約5グラムの正極材料しか必要としませんが、バス用のリチウムイオン電池は最大500キログラムの正極材料を必要とする場合があります。

リチウムイオン電池の正極材料の品質測定は、以下の観点から大まかに評価できます。（1）正極材料は、電池の出力電圧が高くなるように、酸化還元電位を高くする必要があります。 （2）リチウムイオンは、バッテリーに大容量を持たせるために、多数のカソード材料に可逆的に埋め込みおよび埋め込み解除することができます。 （3）リチウムイオンの埋め込み/取り外しの過程で、電池の良好なサイクル性能を確保するために、正極材料の構造が可能な限り変化またはわずかに変化してはなりません。 （4）リチウムイオンの埋め込み/取り外しプロセスにおける正の酸化還元電位の変化は、バッテリーの電圧が大幅に変化しないようにできるだけ小さくして、バッテリーがスムーズに充電および放電されるようにする必要があります。 （5）電池を大電流で充放電できるように、正極材料は導電率が高い必要があります。 （6）正極は電解液等と反応しません。 （7）リチウムイオンは、バッテリーの急速な充電と放電を容易にするために、電極材料内で大きな拡散係数を持つ必要があります。価格は安く、環境汚染もありません。

リチウムイオン電池の正極材料は、一般的に酸化リチウムです。 LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、および酸化バナジウムについて、さらに多くの研究が行われています。導電性高分子カソード材料も大きな関心を呼んでいます。

1、LiCoO2

層状構造のLiCoO2は、基本的に現在の市販のリチウムイオン電池の正極材料として使用されています。その理論容量は274mAh / gであり、実際の容量は約140mAh / gです。実際の容量は155mAh / gに達したとも報告されています。この正極材料の主な利点は、より高い動作電圧（平均動作電圧は3.7 V）、安定した充電および放電電圧、大電流の充電および放電に適しており、より高いエネルギー、より優れた循環性能、高導電率、単純な製造プロセス、準備が簡単など。主な欠点は次のとおりです。高価で、過充電に対する耐性が低く、循環性能をさらに改善する必要があります。

2、LiNiO2

リチウムイオン電池正極材料用のLiNiO2は、LiCoO2と同様の層状構造を持っています。その理論容量は274mAh / gであり、実際の容量は190mAh / gから210mAh / gに達しています。動作電圧範囲は2.5〜4.2 Vです。この正極材料の主な利点は、自己放電率が低く、汚染がなく、さまざまな電解質との適合性が高く、LiCoO2よりも安価であるということです。ただし、LiNiO2には致命的な欠点があります。LiNiO2の準備条件は非常に厳しく、LiNiO2の商業生産にかなりの困難をもたらします。 LiNiO2の熱安定性は劣っています。同じ条件下でのLiCoO2およびLiMn2O4正極材料と比較して、LiNiO2は最低の熱分解温度（約200°C）と最高の熱放出を持ち、バッテリーに大きな安全上のリスクをもたらします。 LiNiO2は、充電と放電の過程で構造が変化する傾向があり、その結果、バッテリーのサイクル性能が低下します。これらの欠点により、LiNiO2はリチウムイオン電池の正極材料として使用するためのかなりの方法になっています。

3、LiMn2O4

リチウムイオン電池の正極材料に使用されるLiMn2O4はスピネル構造をしています。その理論容量は148mAh / gであり、実際の容量は90〜120 mAh / gです。動作電圧範囲は3〜4Vです。このポジティブマテリアルの主な利点は、マンガン資源が豊富で、安価で、安全性が高く、比較的簡単に準備できることです。欠点は、理論上の容量が高くないことです。材料はゆっくりと電解質に溶解します。つまり、電解質との適合性は良くありません。深い充電と放電の過程で、材料は格子変形しやすく、特に高温で使用した場合、バッテリー容量が急速に低下します。上記の欠点を克服するために、近年、三価酸化マンガンLiMnO2の層状構造が新たに開発された。このカソード材料の理論容量は286mAh / gであり、実際の容量は約200 mAh / gです。動作電圧範囲は3〜4.5Vです。スピネル構造のLiMn2O4と比較すると、LiMnO2は理論容量と実際の容量が大幅に増加していますが、充電および放電中の構造の不安定性の問題があります。充電と放電の過程で、結晶構造が層状構造とスピネル構造の間で繰り返し変化し、電極体積の膨張と収縮が繰り返され、バッテリーサイクルの性能が低下します。さらに、LiMn O2には、より高い動作温度での溶解の問題もあります。これらの問題の解決策は、ドープおよび表面修飾されたLiMnO2です。順調に進んでいます。

4、LiFePO4

この材料はかんらん石の結晶構造を持ち、近年研究されている最も人気のあるリチウムイオン電池のカソード材料の1つです。その理論容量は170mAh / gであり、実際の容量はドーピングを変更せずに110mAh / gと高くなっています。 LiFePO4の表面改質により、実際の容量は165 mAh / gに達する可能性があり、これはすでに理論容量に非常に近い値です。動作電圧範囲は約3.4Vです。上記の正極材料と比較して、LiFePO4は非常に安定しており、より安全で*、より環境に優しく、安価です。 LiFePO4の主な欠点は、理論容量が低く、室温伝導率が低いことです。上記の理由により、LiFePO4は大型リチウムイオン電池で非常に優れたアプリケーションの見通しを持っています。ただし、リチウムイオン電池分野全体で強力な市場競争力を発揮するために、LiFePO4は次の欠点に直面しています。（1）LiMn2O4、LiMnO2、およびLiNiMO2ポジティブ材料との低コスト競争。 （2）人々は、さまざまな用途分野でより適切な特定の電池材料を優先する可能性があります。 （3）LiFePO4のバッテリー容量が少ない。 （4）ハイテク分野では、携帯電話やラップトップのアプリケーションなど、コストではなくパフォーマンスに関心があるかもしれません。 （5）LiFePO4は、その比容量を増やすために、1Cの速度の深さで放電するときにその導電率を早急に改善する必要があります。 （6）安全面では、LiCoO2は現在の業界の安全基準を表しており、LiNiO2の安全性も大幅に向上しています。 LiFePO4のみが、特に電気自動車やその他のアプリケーションでより高い安全性能を示します。セキュリティにおける完全な競争上の優位性を確保するため。次の表は、さまざまなリチウムイオン電池のカソード材料の特性を比較したものです。

いくつかの材料によって生成されたバッテリー特性の比較は次のとおりです

電池部品リチウム鉄リン酸塩電池リチウムコバルト電池リチウムマンガン電池リチウムコバルトニッケル電池

C-LiFePO 4LiCoO2LiMn2O4Li（NiCo）O2

安全性と環境保護には最高の安全性が必要であり、ほとんどの環境に優しい要件は非常に貧弱な安定性、非常に危険な安定性は非常に貧弱で非常に危険

最適な許容サイクル数

許容できる、許容できる、最適なエネルギー密度。

長期使用の最も経済的で許容可能なコスト

耐熱性に優れ（-40°C〜70°Cでも正常に使用可能）55°C以上または-20°C以下、50°C以上の低下、5°C以上の急激な低下55°Cまたは-20°C未満。

理論的にリチウムイオン電池として使用できる正極材料には多くの種類がありますが、市販のリチウムイオン電池で最も広く使用されている正極材料は依然としてLiCoO2です。 LiNiO2の層状構造はLiCoO2よりも高い比容量を持っていますが、その熱分解反応による構造変化と安全性の問題により、LiNiO2を正の材料として直接使用することにはかなりの距離があります。ただし、より安全なLiNi1-xCoxO2をCoに置き換えることは、将来の重要な開発の方向性になる可能性があります。スピネル構造LiMn2O4と層状構造LiMnO2は、豊富な原材料資源、明らかな価格優位性、高い安全性能により、市場競争力のある有力候補の1つと見なされています。しかし、充電と放電の過程での構造的不安定性の問題は、将来の重要な研究トピックになるでしょう。かんらん石構造のLiFePO4の実際の排出容量は理論容量の約95％に達し、低価格、高安全性、安定した構造、環境汚染がないという利点があります。大型リチウムイオン電池の理想的な正極材料とされています。

リン酸鉄リチウム結晶のPO結合は安定しており、分解しにくいです。高温や過充電でも、コバルト酸リチウムのように崩壊・加熱したり、強力な酸化性物質を形成したりしないため、安全性に優れています。一部の報告では、実際の操作では、鍼治療または短絡実験で少数のサンプルが燃焼することが判明したが、爆発は発生しなかったと指摘されています。過充電実験では、自分の放電電圧の数倍の高電圧を使用して充電しました。まだ爆発があります。それにもかかわらず、その過充電の安全性は、通常の液体電解リチウムコバルト酸電池と比較して大幅に改善されています。

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