リチウム電池の化学的性質の比較について話す

気候変動、化石燃料の限界、遊牧技術の指数関数的な使用は、人間の文明によるエネルギーの変換と貯蔵のパラダイムシフトにつながっています。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が長く寿命が長いため、この変換において非常に重要な役割を果たします。

リチウムイオン電池の実際の特性、つまりエネルギー密度、充電時間、持続時間、安全性は、正極と負極のメソ構造に依存します（0.10から50μmのスケールについて話します）。正極は、活物質粒子（AM）、炭素添加剤の凝集体、および複合電極を形成するバインダーの空間的配置によって特徴付けられ、製造プロセスのパラメーターによって強く決定されます。最先端の数学的モデリングは、複合電極の機能原理を理解する上で非常に重要な役割を果たします。以前に報告されたLIBモデルのいくつかは、グラファイト、LiNixMnyCozO2、LiFePO4、LiCoO2などの活物質からのさまざまな化学物質の1D、P2D、または3Dアプローチを使用して、細胞応答に対する電極メソ構造の影響を追跡しようとしました。

パフォーマンスモデルは、セル設計を含むいくつかの研究でうまく適用されていますが、モデルパラメータの正確な知識が不足していると、パフォーマンスを予測する能力が大幅に低下する可能性があることに注意してください。顕微鏡シミュレーションと実験測定は、電極の有効拡散係数と導電率が均質化された近似とはかなり異なる可能性があることを示しており、この不一致を克服するために使用されるいくつかのより高い忠実度のモデルの必要性を強調しています。同様に、活物質-電解質界面での電気化学反応速度は、局所的なメソ構造によって大幅に変化することが発見されました。

化学的性能はリチウムイオン電池の安全性にどのように影響しますか？

最初に重要なのは、パフォーマンス、持続可能性、および経年劣化に関するデータを確認することです。

リチウムイオン電池は、従来の電池に比べて特別な利点がありますが、いくつかの欠点があります。電気自動車の電力には、高いエネルギー密度と一時的な電力容量が必要です。ただし、バッテリーはすばやく再充電できる必要があります。

パフォーマンスデータ

・セル電圧は約3.0〜4.2 Vと高く、比エネルギーはセルレベルで約90〜240 Wh kg -1、200〜500 Wh L-1、比電力は最大500 W kg -1です。

・高い放電速度（40C）。急速充電速度（<3時間）;そして有用な力; 80％DoD

・1000サイクル以上。約100％のクーロン効率、ディープサイクリングが可能。

・20°Cで月に約5-10％の低い自己放電率

・メモリー効果なし。マイクロサイクルに耐え、再調整は必要ありません。

リチウムイオン電池（LIB）は、エネルギー密度が向上し、コストが大幅に削減されたため、広く普及しています。特に近年、電気自動車やエネルギー貯蔵装置へのLIB技術の応用が特に注目されています。ただし、LIBの安全性の問題は、これらのアプリケーション領域を拡張する上での主な障害の1つであると考えられています。

LIBの安全性能は、主にリチウムイオン電池材料の熱安定性によって決まります。安全性テスト、過負荷、ホットボックス、釘、クラッシュ、および内部短絡は、一般的に重要と見なされます。

化学的性能はリチウムイオン電池の安全性にどのように影響しますか？

1991年にソニーが最初のリチウムイオン電池を発表したとき、起こりうる安全上のリスクがわかっていました。以前にリリースされた充電式リチウム金属バッテリーへの言及は、この高エネルギーバッテリーシステムを使用しているときに適用する必要がある規律を厳しく思い出させるものでした。

金属リチウムの固有の不安定性のために、研究は非金属リチウムイオン電池に焦点を合わせてきました。リチウムイオンシステムのエネルギー密度はわずかに低くなりますが、システムは安全であり、充電および放電時間中に特定の予防措置を講じることが賢明です。

今日、電池の世界では、リチウムイオンは電池にとって最も効果的で安全な化学物質です。毎年約20億個の細胞が生産されています。

リチウムイオン電池に使用される化学物質には、コバルトとマンガン（スピネル）の2種類があります。携帯電話、ラップトップ、デジタルカメラなどは、バッテリー寿命を最大化するためにコバルトリチウムイオンを使用しています。しかし、マンガンは2つの化学物質の最新のものであり、優れた熱安定性を提供します。不安定になる前に250°Cまでの温度に耐えることができます。その上、マンガンは内部抵抗が低く、必要なときに高出力を提供することもできます。これらのバッテリーは、医療機器だけでなく工具にも電力を供給するためにますます使用されています。

スピネルの主な欠点は、エネルギー密度が低いことです。原則として、純粋なマンガンカソードセルはコバルト容量の約半分を提供します。携帯電話やラップトップのユーザーは、デバイスのバッテリーが意図した使用の約半分の時間で放電されることにうんざりするでしょう。高エネルギー密度、信頼性、および良好な電力供給の問題の間の実行可能な妥協点を見つけるために、リチウムイオン電池メーカーは、より良い結果を得るために金属を混合することができます。使用されるカソード材料は、マンガン、リン酸鉄、コバルト、およびニッケルです。

リチウムイオン電池ソリューションの設計方法

ポータブルエレクトロニクスの世界である今日の私たちの世界では、リチウムイオン電池を使わずに行ける人はほとんどいません。これらのバッテリーは携帯電話、スマートウォッチ、タブレット、ラップトップに電力を供給し、さらには車、自転車、飛行機などの輸送手段にも電力を供給するため、バッテリーはほぼ不可欠になります。残念ながら、これらのバッテリーは、化学物質の混合と組み合わせに伴う危険性があるため、専門家と工場で開発する必要があります。リチウムイオン電池の製造は危険である可能性があり、製造プロセス、バッテリーの機械的設計、および製品の電気的側面にエラーがある場合は安全ではない可能性があります。

結論として、リチウムは非常に揮発性の化学物質であり、他の電池化学物質と比較して多くの安全上の懸念がありますが、その高いエネルギー密度、長寿命、およびメンテナンスフリーの操作により、消費者や電子機器のメーカーにとって非常に魅力的な位置にあります。しかし、これらの安全性の問題は、適切なリチウム電池セルを選択し、適切なセル管理に適した電気的および機械的設計を行うことで解決できます。