リチウムイオン電池の化学分析

リチウムイオン電池は、さまざまな機器や技術の新しい親友です。ハイブリッドカー、電話、ラップトップのいずれであっても、それらのほとんどはリチウムイオン電池を搭載しています。これらのセルで際立っていることの1つは、それらのエネルギー密度です。平均的なリチウムイオン電池のエネルギー密度は、NiCad電池の2倍です。これは、軽量で小型のリチウム電池が、かなりの量のNiCad電池と同じ電力を供給できることを意味します。したがって、それらは携帯用電子機器に適しています。

リチウムイオン電池形成のための化学材料

リチウムイオンは、バッテリーの形成に使用される中心的な化学物質です。両方の電極は、インターカレーションと呼ばれるプロセスを通じてリチウムイオンを簡単に吸収できる材料で作られています。このプロセスでは、帯電したリチウムイオンが電極に保持され、それによってエネルギーが生成されます。リチウムイオン電池の形成プロセスでは、イオンは電子と結合し、アノードに結合します。バッテリーの放電が発生すると、これらのリチウムイオンはアノードから放出され、電解質を通過した後にカソードに吸収されます。

リチウムイオン電池を充電すると、カソードで酸化プロセスが発生します。ここで、カソードはその電子を失います。 2つの電極間の電荷のバランスを維持するために、カソードは同じ数の陽イオンを電解質にも溶解します。これらの陽イオンはアノードに移動し、その構造内でリンクされ、リチウムイオンと統合されます。

バッテリーが放電すると、リチウムイオンがアノード材料から切り離されます。それは電解質を通って陰極に移動します。この移動により、広い範囲を通過する電子が再び放出され、それによって電流が供給されます。

電解液に使用される化学物質は、炭酸ジエチルや炭酸ジメチルなどの溶剤を含む溶液です。リチウム塩も混合物に加えられます。この電解液は、バッテリーの性能を維持および改善する役割を果たします。電解質にはリチウム塩が含まれているため、リチウムイオンが含まれていることを意味します。したがって、リチウムイオンは、カソードからアノードへ、またはその逆に移動するのではなく、単に溶液に溶解する必要があります。

陽極に使用される材料はグラファイトです。リチウムイオンの挿入と放電を繰り返すと元素が損傷するため、研究者は書記素などのオプションを使用することの実行可能性を測定しようとしています。一方、陰極の化学材料は、金属、酸素、リチウムの組み合わせです。

さまざまなリチウムイオン電池アプリケーションのためのさまざまな化学元素の関連付け

リチウムイオン電池は総称です。リチウムイオン電池にはさまざまな種類があります。違いは、セルを構成する化学元素にあります。さまざまな化学元素の関連付けにより、バッテリーはさまざまなアプリケーションに使用されます。ここに人気のある化学元素の関連のいくつかがあります。

コバルト酸リチウム（LiCoO2）

この化学物質の関連付けは、電話、カメラ、ラップトップを充電するためのバッテリーを作成するために最適に使用されます。ここで、アノードはグラファイトカーボンで作られ、カソードは酸化コバルトで作られています。このバッテリーの欠点は、寿命が短く、熱安定性があることです。

二酸化マンガンリチウム（LiMn2O4）

バッテリーとしての二酸化マンガンリチウムの使用は、1996年に最初に商品化されました。ここでは、酸化マンガンリチウムがカソードとして使用されています。その三次元スピネル形成は、電極へのイオンの流れを促進するのに役立ちます。これは、内部抵抗を減らし、システムを流れる電流の量を増やすのに役立ちます。他のリチウムイオン電池と比較して、この化学元素の関連付けは、より高い熱安定性を備えています。しかし、人生も限られています。

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNiMnCoO2）

最も人気があり成功している化学元素の関連付けは、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物の組み合わせです。カソードは、NMCの組み合わせ（ニッケル-マンガン-コバルト）を備えています。これらのバッテリーは高いエネルギー密度を特徴としているため、パワーセルまたはエネルギーセルとして機能するのに役立ちます。この組み合わせは、電動自転車、パワートレイン、工具に電力を供給するのに最適です。カソードはそれぞれ1/3のマンガン、ニッケル、コバルトを使用しています。

リン酸鉄リチウム（LiFePO4）

1996年に、研究者たちはリン酸塩もリチウムイオン電池のカソードとして使用できることを発見しました。この組み合わせにより、低抵抗と優れたパフォーマンスが実現します。また、長いサイクル寿命、優れた耐性、高い熱安定性を備えています。

リチウムイオン電池化学技術2019

リチウムイオン電池の化学的性質のために取り組んでいる最近の技術研究者の1つは、固体電解質と電極です。現在、すべてのリチウムイオン技術は液体電解質を利用しています。これは多くの抵抗を引き起こします。さらに、それはまた、アノードとカソードを離しておくために高価な膜が必要であることを意味します。漏れを防ぐために使用される不浸透性のケーシングも安価ではないことは言うまでもありません。これは、これまでのリチウムイオン電池の設計とサイズの自由を著しく妨げてきました。

固体電解質への漸進的な動きは、そのような問題を解決する力を持っています。これは、ウェアラブル、電気自動車、ドローン市場に特にメリットがあります。 2011年、東京工業大学とトヨタは、液体電解質と同じ導電率を特徴とする硫化物ベースの固体電解質を発見しました。 2016年までに、導電率を2倍にすることができました。これにより、リチウムイオン電池の性能をさらに向上させるために、固体電解質への関心が高まっています。

全固体電池では、電解質であろうと電極であろうと、すべての化学元素は固体になります。その形成による電解質はセパレーターとして機能し、ケーシングと膜の必要性を排除します。したがって、バッテリーは柔軟性があり、薄く、エネルギー密度が高くなります。液体電解質を除去することにより、耐久性も向上します。

全固体電池の開発は、研究者が2019年に向けて取り組む新しい技術です。この電池戦略は、電池市場について私たちが知っているすべてを変える準備ができています。

結論

リチウムイオン電池はここにあります。これらは、従来のNiCadバッテリーを大幅に改善したものです。それらの絶え間ない革新により、年を追うごとに、パフォーマンスと耐久性の点でそれらがより良くなることが期待できます。時間だけがそれらがどれだけ改善するかを教えてくれます。