内蔵リチウムイオン電池–構造と動作

1970年代に最初に発明され、1991年にソニーによって商業的に製造されたリチウムイオン電池は、現在、飛行機、携帯電話、自動車に使用されています。この記事では、内蔵リチウムイオン電池の構造と動作について説明します。

リチウムイオン電池はどのように構成されていますか？

ソニーは、電気化学ポテンシャルの概念に基づいて、最初の充電式リチウムイオン電池を製造しました。電子を失う傾向が最も高いリチウムは、リチウムイオン電池に使用されています。リチウムの殻には電子が1つしかないため、常にその電子を失いたいと考えています。純リチウムは反応性の高い金属です。ただし、空気や水と反応します。

リチウムイオン電池を作る秘訣は、最も純粋なリチウムが活性金属であるということです。ただし、リチウムが金属酸化物の一部である場合、それは非常に安定しています。どういうわけかリチウム原子を金属酸化物から分離するとします。このリチウム原子は非常に不安定で、すぐにリチウムイオンと電子を形成します。ただし、金属酸化物の一部としてのリチウムは、それよりもはるかに安定しています。リチウムと金属酸化物の間のリチウムイオンと電子の流れに2つの異なる経路を提供できる場合、リチウム原子は自動的に金属酸化物セグメントに到達します。この過程で、私たちは経路を通る電子の流れから電気を生成します。この議論から、最初にリチウム原子をリチウム金属酸化物から分離し、次にこれらのリチウム原子からのさまよう電子を外部回路に向けると、リチウム金属酸化物から電気を生成できることが明らかです。

実際の電池では、グラファイトと金属酸化物は銅とアルミニウムのプレートで覆われています。ここでは、集電装置としてのリーフと、集電装置からの正および負のコネクタを簡単に取り外すことができます。リチウム塩は電解質として機能し、セパレーターにコーティングされています。 3枚のシートはすべて中央のスチールコアの周りにシリンダーで包まれており、バッテリーをよりコンパクトにしています。

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リチウムイオン電池を作るにはどのような材料が必要ですか？

カソード材料

リチウムイオン電池のカソードとして使用できる最も一般的な材料には、コバルト酸リチウム、酸化リチウムマンガン、酸化バナジウム、および再充電可能な酸化リチウムが含まれます。ニッケルとコバルトを運ぶ11から12の層状酸化物は、リチウムイオン電池に最も使用される材料です。それらは高電圧の範囲で高い安定性を保持しますが、コバルトは本質的に入手可能性が非常に低く、毒性があり、これは大量生産の大きな欠点です。マンガンは、優れたレート機能と、高い熱しきい値を備えた低コストの置換を提供しますが、サイクリング動作は制限されます。したがって、コバルト、ニッケル、マンガンの混合物は、最良の特性を組み合わせて欠点を最小限に抑えるために一般的に使用されます。

アノード材料

リチウムイオン電池の一般的なアノード材料は、グラファイト、リチウム、リチウム合金材料、およびシリコンです。リチウムは非常に単純な材料であることが知られていますが、樹枝状の成長とサイクル挙動に問題があり、短絡につながります。さまざまな種類のグラファイトを使用して多くの努力がなされてきましたが、容量は増加しましたが、処理コストが高くなりました。シリコンの容量は約4,199mAh / gと非常に高いですが、サイクル動作が悪く、容量の低下はまだわかっていません。

電解質

長持ちし、安全なバッテリーには、既存の電圧と高温に耐えることができ、リチウムイオンに高い移動度を提供しながら平均寿命が長い強力な電解質が必要です。タイプには、ポリマー、液体、および固体電解質が含まれます。ほとんどの液体電解質は、LiPF6、LiBC4O8（LiBOB）などを含む溶媒ベースの有機電解質です。それらの可燃性は考慮すべき最も重要なことです。したがって、セルの爆発またはベント、したがってバッテリーは危険をもたらします。

セパレーター

セパレーターは2つの電極を物理的に分離し、短絡を防ぎます。液体電解質の場合、セパレーターは電解質を染み込ませて所定の位置に保持する発泡材料として機能します。

リチウムイオン電池のコンポーネントはどのように機能しますか？

実用的なリチウムイオン電池は、電解質とグラファイトを使用しています。グラファイトは層状構造であり、これらの層は柔軟に結合されているため、個別のリチウムイオンをここに簡単に保管できます。金属酸化物のグラファイト間の電解質は保護として機能し、リチウムイオンのみが入ることを可能にします。

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次に、電源をこの構成に接続するとどうなるかを見てみましょう。エネルギー源の正極は、明らかに金属酸化物のリチウム原子から電子を引き付けて除去します。これらの電子は、電解質を通って流れることができず、グラファイト層に到達できないため、外部回路を通って流れます。同時に、正に帯電したリチウムイオンは負の端子に引き付けられ、電解質を通って流れます。リチウムイオンもグラファイト層の空間に到達し、そこに閉じ込められました。すべてのリチウム原子がトナーフレークに当たると、ブリスターパックは完全に充電されます。したがって、私たちは最初の目標を達成しました。それは、金属酸化物によって分離されたリチウムイオンと電子です。

すでに説明したように、これは山に登るときの不安定な状況です。電源を切断して負荷を接続した後、電圧により、リチウムイオンは金属の一部として安定した状態に戻ることを望んでいます。リチウムイオンは電解質を通って移動し、電解質は丘を滑り降りたかのように充電します。 。このようにして、負荷を介してエネルギーを供給することができます。

グラファイトはリチウムイオン電池の化学反応には関与しないことに注意してください。グラファイトはリチウムイオンの記憶媒体にすぎません。異常により電池内部の温度が上昇すると、電解液が乾燥し、陽極と陰極が短絡して火災や爆発の原因となります。これを回避するために、セパレータと呼ばれる絶縁層が電極間に配置されます。セパレーターは、多孔性が小さいため、リチウムイオンを透過します。