リチウムイオン電池材料の現在と未来

近年、リチウムイオン電池は、ほとんどの携帯型電子機器の主なエネルギー源となっています。しかし、その場合、特に一部の電気輸送手段やより高度な用途では、それらの用途にはさまざまな制限があります。本日の投稿では、リチウムイオン電池の開発と将来についてお話します。

ほとんどの場合、コーティングと元素ドーピングにより、電池のアノードまたはカソード材料で一般的に使用される電極材料のほとんどが変更されています。これにより、特定の容量は別として、リチウムイオン、導電率、および移動度の非常に高い拡散性がもたらされました。新しい電極材料があり、それらの多くは改善された性能を提供すると報告されています。これらの性能は、比容量、周期的安定性、充電/放電率、および比エネルギーを含むがこれらに限定されないいくつかのパラメータによって分析されています。したがって、リチウムイオン電池の電極材料の現在のシナリオは、電池の性能を向上させ、それによってさらに効率的にすることを約束するため、非常に有望である。この開発により、特に電力の生産（たとえば、発電のための石炭の燃焼）において、化石燃料への依存と支配が確実に減少します。

リチウムイオン電池にはどのような材料が含まれていますか？

バッテリーセルのコンポーネントは、多くの場合、無関係な製品グループの複雑な供給で構成されます。そして、重要な役割を果たす材料のグループの1つは、非鉄鉱物と金属です。

アノード材料、カソード材料、セパレータ、集電体、電解質など、いくつかの重要な材料グループがあります。一般的に、リチウムイオン電池は主にカソードの化学的性質によって指定されます。さまざまなバッテリー範囲内に代替の化学的性質または特別な配合が存在する可能性があり、これらはこれらのバッテリーに特別な電力、安全性、エネルギー、さらにはコストのオプションを提供し、多くの場合、特別で異なる用途向けに作られています。

リチウムイオン電池に主に存在する非鉄金属と鉱物は、コバルト、マンガン、ニッケル、リチウム、グラファイト、アルミニウム、銅です。最初の4つが主にカソードの材料として使用される場合、ただし、リチウムは電解質としても使用できます。その結果、特に使用される非鉄金属材料のカソードとコレクターに特別な開発があるかもしれませんが、アノードには、グラファイトが主に使用されます。

xEVの重要性が増しており、ESS市場（程度は低いですが）では、材料の需要が多少変化しています。これは、市場が携帯用電子機器で特徴的に使用される高コバルトLCOカソードから、よりニッケルが豊富な製品であるNMCにシフトしているため、カソード材料に明らかに見られる可能性がありますが、NCAも求められています。今日中国で要求されている別のxEV資料があり、それがLFPです。これに対する需要は現在、NCAやNMCと比較してある程度の根拠を失っていますが。しかし、LFPはESSおよびHEVアプリケーションに有利なままです。

私たちが確立したように、材料の需要に変化があります。たとえば、カソードは高コバルトLCO材料に依存しているため、NCAおよびNMCカソードの強力な性能にもかかわらず、特に次の10年間は、コバルトが通常どおり要求されない可能性があります。ご存知かもしれませんが、これらにはコバルトが含まれていますが、コバルト成分は非常に少量です。リチウムの消費量は2025年に3倍の170ktになる可能性がありますが、コバルトの需要は2倍の約57ktにとどまる可能性があります。

電池に使われているリチウムイオンは何ですか？

「リチウム電池」という用語の使用は、リチウム金属化学のさまざまな電池のファミリーを指し、さまざまなタイプの電解質とカソードで構成されますが、すべてアノードに金属リチウムがあります。これらのバッテリーは、リチウム1kWhあたり約0.15kgから0.3kgを必要とします。これらの主要なシステムは、放電中に徐々に満たされる結晶学的空孔で電気活性である帯電した陰極を利用するように設計されています。

ほとんどの民生用アプリケーションで使用される最も一般的な種類のリチウム電池の1つは、アノードに金属リチウムを使用し、次にカソードに二酸化マンガンを使用します。次に、有機溶媒に溶解したリチウムの塩があります。

製品内のリチウムイオン電池の性能を最適化するために、一部のメーカーは、LIPF6塩や他のいくつかの添加剤などの有機溶媒で構成される電解液を使用しています。これは、電気自動車から家電製品まで、いくつかのバッテリー用途向けのリチウムイオン電池を製造するために、多くのメーカーや研究センターによって行われています。

リチウムイオン電池の開発と将来

リチウムイオン電池が最初に商業的に使用されるように導入された1991年以来、それは大きな成功を収め、さまざまな電子機器や産業用アプリケーションに電力を供給してきたことは周知の事実です。それ以来、これらのバッテリーの性能と生産性を向上させるために真剣な研究が行われてきました。

今日、特に現代社会における人々の生活と応用を考えると、リチウムイオン電池はほとんど不可欠です。リチウムイオン電池は、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、子供のおもちゃなど、さまざまな携帯型電子機器で広く使用されている主要な技術と簡単に言えます。

これだけでなく、電気自動車のような新たに出現したセクターについて話すとき、リチウムイオン電池を最も好ましいオプションと呼ぶこともできます。

リチウムイオン技術は、これまでのところ、電力供給分野、特に太陽光発電や風力発電の分野で十分に活用されていないことに同意するかもしれませんが、それでも世界的な二酸化炭素排出量との戦いにおいて大きな可能性を秘めています。エネルギーの持続可能性。

リチウムイオン電池は、世界を変えることができる電池と簡単に考えることができます。これらのバッテリーは現在、無数の家電製品やテスラの電気自動車、その他多くの世界的なコングロマリットで使用されている電力の選択肢となっています。

これらのバッテリーは、世界が将来的に電力と持続可能性の課題を解決するのに役立つことを約束していますが、その弱点のいくつかはまだ解決する必要があります。

たとえば、リチウム金属電極を使用する場合、生成されるエネルギー密度は、従来のバッテリーが生成するよりも高くなります。ただし、リチウム金属電極は、指の形をした構造を持ち、バッテリーで発生する短絡の主な原因となるデンドライトを発生させる可能性があります。

この問題は、リチウム金属電極の代わりにリチウムイオンを含む炭素電極を使用することで解決されました。これにより、リチウム金属電極電池と比較してエネルギー貯蔵容量が減少しているにもかかわらず、リチウムイオン電池が発生します。したがって、エネルギー貯蔵容量を増やすことで改善することができます。