リチウムイオン電池の部品についてどう思いますか？

前書き

リチウムイオン電池は、最高のエネルギー貯蔵技術の1つとして説明されています。これらのバッテリーは、電気自動車、ポータブルデバイス、グリッドエネルギー貯蔵などで広く使用されています。 1991年にリチウムイオン電池が商品化されて以来、リチウムイオン電池のエネルギー密度は積極的に高まっています。現在、私たちは非常に高いエネルギーレベルに達することができる最先端の細胞を経験してきました。広範な研究開発が進行中であり、ハイブリッド電気自動車や電気自動車、太陽電池や風車に使用される安全で信頼性の高いリチウムイオン電池の製造能力を確実に向上させます。それにもかかわらず、リチウムイオン電池の安全性は依然として懸念事項であり、電池の寿命はまだ十分ではなく、コストが高すぎます。この記事では、リチウムイオン電池の主要コンポーネント、それらの役割、およびそれらの処理方法について学習します。

主要なリチウムイオン電池部品の紹介

リチウムイオン電池は、4つの主要なコンポーネントで構成されています。カソード、アノード、電解質、セパレーター。リチウムイオン電池のすべてのコンポーネントは不可欠であり、コンポーネントの1つが欠落しているとバッテリーは機能しません。これらのコンポーネントは、電解質によって分離および接続されたカソードとアノードで構成される電気化学セルとして知られているバッテリーの最小の作業単位を構成します。

モジュールとバッテリーパックのセルの設計と組み合わせは大きく異なります。ただし、この記事では、主要なセルの設計について学習し、次にセルの処理と製造について学習します。

リチウムイオン電池の電極は常に固体材料です。電解質を使用して、細胞の種類を区別できます。電解質は、液体、ゲル、または固体状態であり得る。たとえば、ゲルおよび固体セルの電解質は構造成分であり、電解質を効果的に分離して短絡を防ぐために追加のセパレーターが必要です。

リチウムイオン電池コンポーネントのさまざまな役割

陰極

カソードは、リチウム金属酸化物、酸化バナジウム、オリビン、充電式リチウム酸化物などの最先端の材料で作ることができます。コバルトやニッケルなどの層状酸化物は、リチウムイオン電池の最も研究されている材料です。それらは、高電圧範囲での高い安定性に関連しています。しかし、コバルトの入手可能性は本質的に非常に限られており、毒性があり、大量生産を阻害します。マンガンは、高い熱閾値と優れたレート機能を備えた低コストの代替品ですが、サイクリング機能は限られています。

コバルト、ニッケル、マンガンの混合物を使用して、最良の特性を組み合わせ、欠点を最小限に抑えます。一部のリチウムイオン電池には、大容量と優れた反応速度を提供する酸化バナジウムが含まれていますが、リチウムの挿入と抽出により、材料がアモルファスになる傾向があり、サイクル動作が制限されます。また、無毒で適度な容量を提供し、サイクリングによる退色が少ないかんらん石もありますが、導電率は低くなっています。材料の導電性を改善するために材料をコーティングするためにいくつかの方法が使用されますが、これはバッテリーの処理コストを増加させるだけです。

リチウムイオン電池が発電するには、リチウムの化学反応が必要です。そしてそれがリチウムがバッテリーに使用されている理由であり、それがいわゆるカソードです。しかし、リチウムは不安定であるため、リチウムと酸素を組み合わせて使用し、カソードとして酸化リチウムを形成します。リチウムイオン電池の正極には、活物質として酸化リチウムが使用されています。

陰極には、活物質、導電性添加剤、結合剤からなる化合物でコーティングされた陰極のフレームを保持するために使用される薄いアルミホイルがあります。活物質はリチウムイオンを含み、導電性添加剤を添加して導電性を高め、バインダーを接着剤として配置し、活物質と導電性材料をアルミニウム基板上に固定できるようにします。

電池の容量と電圧は陰極に使用される活物質の種類によって決定されるため、陰極は電池の特性を決定する上で主要な役割を果たします。リチウムの量が多いほど、容量は大きくなります。また、カソードとアノードの電位差が大きいほど、電圧が高くなります。

ほとんどの場合、タイプによってはアノードの電位差は小さいですが、カソードの場合、一般に電位差は比較的大きいため、カソードはバッテリーの電圧を決定する上で非常に重要な役割を果たします。

アノード

アノードはまた、電流が外部回路を通って流れることを可能にすると同時に、カソードから放出されたリチウムイオンの可逆的吸収を可能にするのに重要な役割を果たす活物質でコーティングされている。

バッテリーの充電状態の間、アノードは高濃度の挿入されたリチウムイオンを含み、カソードはリチウムが枯渇している。この間、導線がアノードとカソードを接続すると、放電状態と呼ばれ、リチウムイオンはアノードから電解質を通ってカソードに自然に流れ、関連する電子は電気デバイスに電力を供給するために使用されます。

グラファイトは構造が安定しているため、アノードに使用されています。また、電気化学的反応性が低く、リチウムイオンを多く貯蔵するための条件と価格が高いため、グラファイトはアノードに使用するのに適していると考えられています。

電解質

電解質はリチウムイオンの動きのみを可能にします。リチウムイオンは電解質を通って移動し、電子はワイヤーを通って移動します。したがって、電解質はバッテリーの電気の使用に重要な役割を果たします。

電解質は、カソードとアノードの間のリチウムイオンのみの移動を可能にする媒体として機能します。電解質には、リチウムイオンの往復移動を容易にするため、イオン伝導度の高い材料が主に使用されています。

電解質は、塩、溶剤、添加剤で構成されています。塩はリチウムイオンが移動するための通路を提供し、溶媒は塩を溶解する有機液体であり、添加剤は特定の目的のために少量添加されます。

この種の電解質は、イオンが電極に移動することのみを許可し、電子は通過させません。また、リチウムイオンの移動速度は電子の種類によって異なります。

セパレーター

セパレータは、カソードとアノードの間の物理的な障壁として機能します。電子が直接流れるのを防ぎ、リチウムイオンだけが内部の微細な穴を通過するように配置されています。したがって、セパレーターの材料は、すべての物理的および電気化学的条件を満たす必要があります。

今日一般的に使用されているセパレーターは、ポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）などの合成樹脂です。

セパレーターには、内蔵のサーマルシャットダウンメカニズムと、モジュールおよびバッテリーパックに追加される追加の外部の高度な熱管理システムがあります。高温では、機械的安定性を失うことなく、リチウムイオンの動きを止めるために細孔を溶かすか閉じます。

リチウムイオン電池部品の処理

放電中、アノードからカソードへのリチウムイオンの移動があります。インターカレーションデインターカレーションプロセスは、活性電極材料の体積変化につながります。サイクルによるこの繰り返されるプロセスは、亀裂を引き起こし、最終的に破壊を引き起こし、電極コレクターへの切断または短絡のために使用できない活性電極材料をもたらす可能性があります。

性能を向上させ、避けられない体積変化を管理するための材料の処理および製造における努力は、マイクロおよびナノスケールの粒子を含む複合材料に向かっている。ナノ粒子は、亀裂発生のリスクを非常に低く抑えながら、体積変化を処理できます。それに加えて、それらのマイクロスケールの凝集体および複合材料は、遅い拡散電極を通る最小の拡散経路長をもたらす。

円筒形セルの場合、電解質は活物質粉末のペーストから形成され、バインダー、溶剤、添加剤は、カソード側のアルミニウムやアノード側の銅などの集電体フォイルに塗布されます。均一な厚さと粒子側のカレンダーを作成した後、正しい幅にスリットを入れます。次に、コンポーネントはセパレーター-アノード-セパレーターカソードに積み重ねられ、続いて円筒形セルに巻かれ、円筒形ケースに挿入され、導電性タブが溶接されます。次に、セルは電解質で満たされます。電解液は、セパレーターを濡らし、電極を浸して濡らさなければなりません。次に、他のすべての必須の絶縁体、シール、および安全装置が取り付けられ、接続されます。

それがすべて行われた後、セルは、パフォーマンス、サイクリング動作、およびバッテリー寿命を向上させるために洗練されたプロトコルを使用して最初に充電され、次にテストされます。

結論

リチウムイオン電池の主要コンポーネントとそのさまざまな役割を発見しました。リチウムイオン電池の化学的性質は、電気機器やアプリケーションの電気エネルギー貯蔵に最適な代替手段のいくつかを提供します。これは、それらの電気化学的ポテンシャル、高容量、およびエネルギー密度に起因します。