リチウムイオン電池の電気化学について知っていますか？

エネルギー貯蔵は、再生可能エネルギーの実現とさまざまなセクターや産業の電化を成功させるための重要な技術の1つと見なされています。今日の投稿では、リチウムイオン電池の電気化学について多くのことを取り上げます。そのため、これらの電池とその化学について詳しく知ることができます。

バッテリーは、固定およびモバイルでの使用に不可欠なエネルギー貯蔵ツールです。これらは主に小型またはポータブルデバイスに使用されます。また、電気接続が実用的でも不可能な場合にも使用されます。

リチウムイオン電池の電気化学の紹介

バッテリーの用途は、MP3プレーヤーなどの小型デバイスからスマートフォン、さらには自動車などのハイエンドパフォーマンスシステムや、タービンなどの発電所で使用されるエネルギー貯蔵システムまで多岐にわたります。

構成またはセットアップ

典型的なバッテリー構造は、電解質によって分離された反対の電荷の2つの電極で構成されています。そして、それらは、それらの操作を取り巻く化学システムに応じて、一次電池または二次電池に分類されます。

一次電池

一次電池は、充電も再充電もできない電池です。それらは完全にプリチャージされており、購入後すぐに使用できます。それらは高い比エネルギーと長い貯蔵時間を提供します。

ただし、これらの一次電池は現在、市場のニッチをカバーしているだけです。通常、充電式電池が使用できない場合や、充電できない場合に使用します。たとえば、これは腕時計、おもちゃ、さらにはペースメーカーにも当てはまります。ミサイルで一次電池が使用される軍隊など、他の用途もあります。

一次電池セルは、主にアルカリマンガン、リチウム電池、またはマンガン乾電池です。

二次電池

一次電池とは異なり、二次電池は100回以上充電および再充電できます。これらのタイプのバッテリーの市場価値は着実に増加しています。

充電可能な最も古い電池は鉛蓄電池です。自動車のスターターバッテリーやバックアップシステムとして今でも使用されています。ニッケル水素（NiMH）、ニッケルカドミウム（NiCd）、そしてもちろんリチウムイオン電池のような二次電池の例は他にもあります。後者は、自動車およびガジェット市場の大手ゲームプレーヤーに最も好まれるバッテリーであるため、現在私たちの議論の焦点となっています。

充電と放電

充電式リチウムイオン電池では、電荷担体はリチウムイオンです。これらのリチウムイオンは、バッテリーの3か所にあります。カソードのLiCoO2の結晶格子、電解質とアノードのリチウム塩で、リチウムは安定していませんが、間の「ゲスト」のように機能します。グラファイトと炭素層。これらのバッテリーが完全に充電されると、アノードはリチウムで最大限に満たされ、リチウム原子は6つの炭素原子に固定されます。

バッテリーの使用中または放電中、バッテリー内の正に帯電したリチウムイオンは、正に帯電した電極またはアノードから中間電解質を通ってカソードまたは負に帯電した電極に移動します。コバルト酸リチウム（LiCoO2として指定）は、あらゆるガジェットリチウムイオン電池の主要なカソード材料ですが、リン酸鉄リチウム（化学的にLiFePO4として指定）に似ており、エネルギー密度は低くなりますが、化学的に安定しています。この回路を閉じるには、負に帯電した電子がバッテリーの外に出て、アノードからカソードに到達し、接続されたデバイスに電力を供給します。これは充電中に逆になり、外部電源からの外力によって強制され、リチウムイオンはバッテリーの逆経路を通って流れ、カソードからアノードに戻ります。その結果、充電式電池の電気化学反応は可逆的です。

リチウムイオン電池の電気化学的特性

リチウムイオン電池は有望です。これらは、電気自動車（EV）または電気ハイブリッド車（HEV）での使用が提案されています。グラファイトは現在、市販のリチウムイオン電池、特に携帯電話、カメラ、ラップトップで使用されるもののアノード材料として広く使用されています。しかし、その後、セルの性能は、電気自動車やハイブリッド車など、頻繁な高速放電または充電率を必要とする電力システムのアプリケーションで期待されるほど完全には満足のいくものではありませんでした。

リチウムインターリーブ電圧が約0.1V（Li / Li +に比べて）と低いため、リチウム金属はグラファイトアノードの表面に堆積しやすく、特に急速充電時に樹枝状リチウムを形成します。これは安全上の問題を引き起こす可能性があります。スピネルLi4Ti5O12は、その優れたゼロ電圧構造、可逆性、およびフィールドLi4Ti5O12格子での高いLiイオン移動度により、リチウムイオン電池のグラファイトとは対照的に、多くの注目を集め、代替アノードとして採用されています。特に、この材料には、1.55 V（Li / Li +と比較して）で動作する高いLi挿入電圧があり、これは樹枝状リチウムの形成に悪影響を与える可能性があります。しかし、Li4Ti5O12の低い電子伝導率は、材料の性能速度を制限する主な障害です。

Li4Ti5O12の電気化学的性能と電子伝導性を改善するために、問題を解決するために他で行う必要のある多くの作業があります。一般的な戦略の1つは、粒子のサイズを小さくし、Li4Ti5O12の表面に導電性材料をコーティングするか、他の金属イオンをドープすることです。粒子サイズの減少は、リチウムイオンの拡散距離を減少させ、Li保存電極の容量とその反応速度の両方を改善することもできます。したがって、電極材料の電気化学的性能だけでなく、レート能力も改善することが可能である。 V5 +、Mg2 +、Ca3 +、Ta5 +、Ni3 +などの一部の金属イオンは、電子伝導性とレート容量を改善するために、少量のLi +またはTi4 +を置き換えるためにドーピングに使用されています。リチウムイオン電池の表面に導電性材料をコーティングすると、表面の導電性が向上し、接触抵抗も減少します。カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブ、Sn、Ag、Cuなどの導電性材料はすべて、Li4Ti5O12の導電性を変更するために使用されることが報告されています。

リチウムイオン電池の電気化学的構造

リチウムイオン電池の電気化学的構造の研究は、科学的な問題と問題をよりよく理解することが、低オーム降下とインターフェースする高電圧カソードの設計と構築に有益である可能性があることを示しています。リチウムイオン電池（LIB）の性能を評価するための主要な指標の1つはOCVであり、その改善はエネルギー密度の増加に有望な結果を示しています。さらに、界面での大幅な電位降下は高い抵抗を証明し、電力密度を制限する主要な要因の1つです。