リチウムイオン電池の劣化メカニズム-サイエンスマジック

リチウムイオン電池は、重量分析と体積エネルギー密度が高いという特徴があり、最もよく知られており、進化し続けるエネルギー貯蔵技術の1つです。また、特にモバイルアプリケーションでもよく知られています。ただし、リチウムイオン電池の寿命が限られているため、固定エネルギー貯蔵を必要とするアプリケーションでの長期使用が妨げられます。リチウムイオン電池市場への浸透を拡大するには、劣化メカニズムを詳細に理解する必要があります。典型的なリチウムイオン電池は、活物質、バインダー、セパレーター、集電体、電解質で構成されています。そして、これらのコンポーネント間にある相互作用は、バッテリーの適切な動作において重要な役割を果たします。リチウムイオン電池の劣化は、化学的および機械的原因の両方が原因である可能性があり、容量の損失、性能の低下、またはその両方によって感じられる可能性があります。

リチウムイオン電池の予想寿命の予測モデルでは、アプリケーション環境で電池で発生するさまざまな電気化学的、機械的、および熱的劣化モードを考慮に入れる必要があります。リチウムイオン電池は、保管場所や使用環境のサイクル履歴に応じて、劣化の軌跡が異なる場合があります。劣化速度は、温度の履歴、電気化学的操作ウィンドウ、充電または放電速度などの要因によって制御されます。

リチウムイオン電池の劣化メカニズムの定義

機械的分解メカニズムは、Liイオンが活物質に繰り返し挿入されることによって生成される体積変化と応力として説明できますが、一方で、化学的分解メカニズムは、固体電解質の形成などの寄生副反応に関連しています。電解質の相間、分解または還元、および活物質の溶解。

ほとんどのバッテリーの問題は、主に化学的問題です。通常のバッテリーまたは正常なバッテリーでは、イオンの流れは常にカソードとアノードの間にあります。バッテリーを充電すると、イオンがカソードイオンからアノードに向かって押し出されますが、バッテリーの使用中はこの流れが逆になります。

時間が経つにつれて、プロセスはカソードを摩耗させ、その結果、その容量が減少します。ハイエンドのリチウムポリマー電池は、約1000回の充電サイクル後に容量の約20％を失う可能性があります。別の方法でこれを想像することもできます。リチウムイオンバッテリーを充電するたびに、バッテリー寿命が数秒短縮されます。バッテリーの充電と熱が不安定な場合も、この劣化を早めることができます。

リチウムイオン電池の状態

リチウムイオン電池の状態（SOH）を評価することは、最適な性能を誇る効率的な電池システムを構築するために直面する大きな課題の1つです。

SOHは、バッテリーの全体的な状態と、新しいバッテリーと比較して示された電力またはパフォーマンスを提供するバッテリーの能力を反映する「測定値」です。 SOHを検討する際には、電荷の受容、電圧、自己放電、内部抵抗などの要素がすべて考慮されます。これはバッテリーの長期容量の尺度であり、単なる「提案」であり、バッテリーに最初に含まれる寿命エネルギーの量と残りの量の絶対的な尺度ではありません。自動車の例えを使用すると、リチウムイオン電池のSOHは、「走行距離計」表示機能と比較できます。この表示機能は、車両が新品から走行または走行した距離と走行距離を示します。

リチウムイオン電池の寿命の間、電池の性能または「健康状態」は、電池が使用できなくなるまで、使用に伴って時間とともに発生する不可逆的な化学的および物理的変化のために徐々に低下します。

リチウムイオン電池の状態は、電池のライフサイクルで到達した段階またはポイントを示しているため、何が残っているか、または何が期待されているかがわかります。

バッテリーの実際の充電量を測定することで簡単に判断できる充電状態（SOC）とは異なり、バッテリーのSOHの絶対的な定義がない場合があります。さまざまな人がバッテリーのさまざまなパフォーマンスパラメーターからSOHを導き出し、独自のルールに従ってそれを解釈する可能性があるため、これは主観的な尺度です。これは実際の測定よりも推定値です。これは、一貫性があり測定可能な一連のルールに基づいて見積もりが行われる限り、正しい可能性があります。ただし、いくつかのテスト機器および方法で行われた推定値の比較は信頼できない場合があります。

その結果、バッテリーメーカーは、提供するバッテリーが新品であるため、SOHを提供することは知られていません。 SOHは、バッテリーがエージングを開始するか、使用されるまで、バッテリーには適用されません。したがって、SOHの定義は、テスト機器の製造元またはユーザーによって指定されます。

リチウムイオン電池の劣化の科学的解決策

バッテリーの経年劣化の問題は、バッテリーパックシステムのあらゆる側面に非常に敏感です。セルメーカーの観点から見ると、カソード化合物の改善と開発により、バッテリーの性能とサイクルタイムが改善される可能性がありますが、機械的劣化の大きな要素をもたらす高エネルギー密度のシリコン化合物アノードによって相殺される可能性があります。寿命がはるかに長い特定の代替化学プロセスが開発中ですが、これは現在、エネルギー密度を犠牲にして行われます。

バッテリーの設計は改善されており、セルの最適な熱管理に関する知識が含まれています。これは、バッテリーの寿命に大きな影響を与えるはずです。ただし、最大の課題はバッテリ管理システムである可能性があります。これは、特定のセルで可能な最大のバッテリ寿命を確保するために必要な電力とパフォーマンスを提供する必要があるためです。ただし、その点で、またユーザー定義の充電プロファイルでも、リチウムメッキ、動作戦略での温度補償、および充電状態を減らすためのインテリジェントな充電時間を回避するために、良好な進歩が見られました。

ただし、現在、すべての条件で許容可能なバッテリ寿命を保証するソリューションは見つかりませんでした。これは、セル設計の追加の機能強化、バッテリーパックの改善、バッテリー使用の最適化、および出現しつつあるセル化学の基本的な経年劣化メカニズムの理解によってのみ達成できます。