リチウムイオン二次電池：材料、技術、新しいアプリケーション

ポータブル電子機器は、現代の技術の世界の一部になっています。リチウムイオン二次電池は、主に携帯機器の電源として使用されています。リチウムイオン電池が特別な理由と、リチウム電池が将来さらに良くなる方法について詳しく見ていきましょう。

リチウムイオン電池を作る材料は何ですか？

リチウム電池は、セルと呼ばれる小さな電池で構成されています。各セルは、2つの異なる電極を結合する電解質で構成される小さな化学製造複合体です。他のバッテリーと同じように、それぞれカソードとアノードと呼ばれる正極と負極があります。

カソード材料

リチウムイオン電池の陰極または正極は、純粋なリチウム金属酸化物を含む最先端の材料で構成されています。コバルト酸リチウム（LiCoO2）、酸化リチウム（トリオキソ）マンガン（LiMn2O4）、Li（NixMnyCoz）O2]、酸化バナジウム、オリビン（LiFePO4など）、充電式酸化リチウムなど、使用できる材料には多くの選択肢があります。リチウムイオン電池の場合、ニッケルとコバルトを含む層状酸化物材料が主に使用されます。組成が均一であるほど、パフォーマンスが向上し、バッテリーの寿命が長くなります。

一部の金属酸化物は高電圧範囲に対して高い安定性を示しますが、いくつかの制限を示すものもあります。たとえば、コバルトの限られた入手可能性が問題です。さらに、コバルトは有毒金属であり、大量生産の最大の欠点です。マンガンは、熱閾値が高い低コストの金属ですが、拘束サイクル挙動を示します。したがって、金属を個別に使用するのではなく、コバルト、ニッケル、マンガンの組み合わせを使用して、最良の結果を得て、それに関連する短所を最小限に抑えることがよくあります。

酸化バナジウムに関しては、優れた動力学と巨大な容量を示します。ただし、リチウムの挿入と抽出により、酸化バナジウム材料はアモルファスになる可能性があります。これにより、サイクリング動作が制限されます。現在、かんらん石には無毒であるという利点がありますが、適度な能力を示します。また、それらの導電率は低いです。導電性の低さを補うために、数多くのコーティング技術が導入されています。ただし、すべてバッテリーに追加の処理コストが伴います。

アノード材料

反対側には、アノードと呼ばれる別の電極があります。リチウムイオン電池のアノード材料は、グラファイト、リチウム合金材料、リチウム、金属間化合物、またはシリコンです。リチウムは最も単純な材料のように見えますが、そのサイクル挙動と樹枝状の成長に懸念があり、短絡を引き起こす原因となっています。このため、炭素質アノードは、その低コストと高い可用性のために最も好ましいアノード材料です。ただし、リチウムのmAh / gで表した電荷密度が高いと、これらの炭素質アノードが克服されます。容量を増やすために、科学者はカーボンナノチューブと新しいグラファイトの種類を利用します。金属間化合物と合金アノードも高い容量を示していますが、かなりの体積変化のため、これらの化合物は不十分なサイクル挙動を示します。ナノ結晶材料を使用して、この体積変化を克服することができます。

電解質

バッテリーは、バッテリーの電荷を運ぶリチウムイオンが自由に流れることができるように、電解質の輸送媒体で満たされています。この電解液は、短絡を防ぐために効率的な充電と放電を確実にするために、純粋で水を含まないものでなければなりません。液体電解質、ポリマー電解質、固体電解質など、さまざまな種類の電解質を使用できます。ほとんどの場合、ビス（オキサラト）ボレート（LiBC4O8）（LiBOB）、リチウムヘキサフルオロホスフェート（LiPF？）、リチウムフルオロアルキルホスフェートLi [PF3（C2F5）3]、またはなどの有機溶媒中にリチウム塩を含む溶媒ベースの電解質が好ましい。同様。ただし、有機溶剤の使用は、可燃性の懸念とともに環境リスクをもたらします。固体高分子電解質は、バッテリーの安全性能を向上させるための優れた代替手段です。

したがって、費用効果の高い大容量リチウムイオン電池を製造するには、負極、正極材料と電解質材料の適切な組み合わせが存在する必要があります。

2019年リチウムイオン電池の新用途

リチウムイオン電池は幅広い用途があります。これらのバッテリーが最初に発売されて以来、これらのバッテリーの性能を高めるために数え切れないほどの研究と多くの改善がありました。私たちの日常の現代社会の一部であるリチウムイオンは、支配的な技術です。スマートフォン、ラップトップ、タブレット、ハイブリッド車、完全電気自動車など、携帯型電子機器を見てください。すべてリチウムイオンです。社会は低炭素排出とエネルギー効率の高い製品に近づいているので、リチウムイオン技術は自動車部門で好まれています。これらのバッテリーは、風力と太陽エネルギーを蓄える可能性があります。現代の電気自動車では、二酸化炭素排出量を削減するという大きな未来が予測されています。一方、使用済みバッテリーからリチウムをリサイクルする方法も専門家によって検討されています。新しい研究によると、2050年までに、リチウムイオン電池はほとんどのアプリケーションのために電力を確保するための手頃な技術になるでしょう。そのようなアプリケーションの1つは、エネルギーグリッドで大きな変動が発生しないようにし、顧客が請求書を管理できるようにすることです。これらのアプリケーションは、風力や太陽エネルギーなどの断続的なエネルギー源に大きく依存している世界では非常に重要です。次の新しいアプリケーションでのリチウムイオン電池の使用が著しく増加しています。

●電動工具

●ポータブル充電器

●通信機器

●ウェアラブルデバイス

●ドローン

2019年のリチウムイオン電池の需要動向

リチウムイオン電池は何年も使用されています。 2026年までに、リチウムイオン電池市場は、2018年の362.0億米ドルから1097.2億米ドルへと、CAGR 13.4％で力強い成長を遂げると予測されています。リチウムイオン電池がフルバッテリー電気自動車（BEV）およびハイブリッド電源としてますます使用されているという事実は、自動車産業での完璧な選択となっています。その上、電子機器、風力、軍事、産業などのさまざまなアプリケーション分野でリチウムイオン電池の需要が高まっています。

リチウムイオン電池の最新の厳しいトレンドは次のとおりです。

●カソード材料の高ニッケル化

●全固体電池を重視

●リチウムイオン電池製造装置の市場が注目されています。

●ハイブリッド車や電気自動車でのリチウムイオン電池の使用は注目に値します。

結論

世界は効率的な充電式電池を絶えず必要としています。リチウムイオン電池は、軽量、小型、体積単位あたりのエネルギー供給量が多いため、多くの自動車や電池会社がLIBを使用しています。しかし、世界中の研究者たちは、リチウムイオン電池よりも優れた最先端技術の開発に苦労しています。世界が電気の未来に向かって進んでいるので、充電式電池技術の次の大きな進歩は、角を曲がったところにあるかもしれません。