リチウムイオン電池の仕組み–製造と使用

リチウムイオン電池は、充電式リチウム電池の一種であり、従来の民生用機器で一般的に使用されています。これらのセルは、高エネルギー密度と、信頼性の高いバッテリー技術を実現するその他の豊富な機能でよく知られています。

リチウムイオン電池はどのように作られていますか？

リチウムイオン電池は、私たちの日常生活のいくつかの従来のデバイスで一般的に見られます。ただし、意図したデバイスの機能に関心を持つ人が増え、これらのバッテリーがどのようになったかについてはあまり関心がありません。リチウムイオン電池の製造は、一般的な電池にも適用されるいくつかの工業プロセスしか含まないため、思ったほど複雑ではありません。以下は、バッテリーの製造方法の概要です。

ステップ1.コンテナーの設計

最初のステップは、セルの基本構造でもあるバッテリーのコンテナーを設計することです。コンテナはセルのすべての内容物を保持し、バッテリーのサイズも決定します。

ステップ2.電極を作る

容器のサイズを設計している間、電極はアノードとカソードに異なる材料を使用して準備されます。アノードはカーボン製で、カソードは金属酸化物製です。

ステップ3.セパレーターの設計

通常、紙片は小さなチューブに丸められ、下部が密封されます。その後、バッテリーの中央に挿入され、セパレーターとして使用されます。

ステップ4.電解質

次に、バッテリーコンテナは、有機溶媒中のリチウムイオン塩で作られた電解質で満たされ、通常は非水性です。

ステップ5.コレクターの設計

集電体は希望の形状にはんだ付けされ、セルに固定されます。

ステップ6.パッケージング

この時点で、バッテリーは完成していますが、まだ裸です。したがって、それらは密封され、意図されたラッパーとステッカーで包まれます。

リチウムイオン電池はどこで使用されていますか？

リチウムイオン電池は、実社会で幅広い用途があります。最も一般的な用途は、携帯電話、ラップトップ、およびその他の多くのバッテリー駆動の電子機器などの従来の消費者向けデバイスに見られます。それらは、危機に瀕している生命を支えることができるために安定した集中的な電力供給を必要とする不可欠で命を救う医療機器に電力を供給することさえ見出されています。電気自動車やボートに電力を供給する運輸部門など、他の発明に移行します。これらのバッテリーは、最大限の安全性と信頼性を備え、安定したペースで快適な生活を維持するために使用されます。これらのバッテリーの他のアプリケーションは次のとおりです。

1.緊急電源バックアップまたは無停電電源装置（UPS）

2.電気自動車とハイブリッド車

3.モーターなどの軽量船舶用電子機器

4.太陽光発電エネルギー貯蔵

5.遠隔地の警報システム

6.遠隔地の監視システム

7.ポータブルパワーパック

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リチウムイオン電池はどのように機能しますか？

リチウムイオン電池全般について私たちは何を知っていますか？さて、他のバッテリーと同じように、それは2つの電極、アノードとカソード、セパレーターと電解質で構成されています。電解質は、正に帯電したリチウムイオンをアノードからカソードに運び、セパレーターを通って戻す役割を果たします。アノードは通常正極と見なされ、カソードは負極と見なされます。リチウムイオンの動きにより、アノード内に自由電子が生成され、それが正の集電体に電荷を生成します。これにより、電流が指定された集電装置から電気装置を通って負の集電装置に流れます。セパレータは、セル内の電子の流れを制限するために使用されます。

充電/放電中

放電プロセスに関しては、リチウムイオンはセル内の電流を負極から正極に向かって輸送する傾向があります。これは、非水電解液とセパレーターダイアフラムを介して行われます。充電中、充電回路はバッテリーが生成するよりも高い電圧を放出する傾向があり、充電電流がセル内に流れるように強制します。電流は正極から負極に流れます。これは通常、放電プロセスの電流の流れの逆方向です。リチウムイオンが負極に付着すると、インターカレーションによって多孔質電極材料に埋め込まれます。

充電手順

リチウムイオン電池を対象とした充電プロセスには3つの段階があり、次の段階があります。

8.定電流

9.バランス

10.定電圧

定電流フェーズになると、充電器は電圧を上げながらバッテリーに定電流を流す傾向があります。これは、セルあたりの電圧制限が達成されるまで発生します。

ただし、バッテリーのバランスが取れたら、バランスフェーズは必要ありません。この段階では、充電器は充電プロセスのオンとオフを繰り返す傾向があります。これを行うと、平均電流を減らすのに役立ちます。これが発生している間、単一セルの充電状態は、最終的にバッテリー全体が平衡化されるまで、平衡回路を使用して同じレベルになります。ただし、充電器はセルの充電方法が異なる傾向があります。たとえば、一部の高速充電器はこの段階をスキップする傾向がありますが、他の充電器は各セルを独自に充電することでこの段階を達成します。

定電圧フェーズでは、充電器は、最大セル電圧に直列のセル数を掛けたものに等しい電圧をパックに印加する傾向があります。このプロセスは、電流が0に低下するにつれて徐々に発生し、以前の定充電電流の3％の標準しきい値を下回ります。リチウムイオンセルの電圧がセルあたり4.05Vを下回ったら、トッピング充電をお勧めします。ただし、専門家のアドバイスに従って、これは500時間に1回実行する必要があります。セルの電流と電圧の制限に従わないと、バッテリーの故障や爆発につながる可能性があります。

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極端な温度

リチウムイオン電池の充電温度の限界は、通常、動作中のものと比較してより厳しくなります。リチウムイオン電池内の化学反応は、高温で良好に回復する傾向があります。ただし、このような温度に長時間さらされると、バッテリーの寿命が徐々に短くなる傾向があります。また、リチウムイオン電池は、低温範囲でよりよく充電でき、急速充電も可能です。これは、約5〜45°Cの温度範囲内で発生します。この温度範囲内でリチウムイオン電池を充電することをお勧めします。リチウムイオン電池を約0〜5°Cの低温範囲で充電する場合は、充電電流を減らすことをお勧めします。

低温での充電中、有益であると見なされた場合、内部セル抵抗のために平均を超える温度のわずかな上昇。ただし、充電プロセス中の高温はバッテリーを劣化させる可能性があり、極端な温度ではバッテリーの性能に深刻な影響を及ぼします。浅い温度では、セルの内部抵抗が増加する傾向があり、これにより、充電プロセスが遅くなり、長くなる可能性があります。従来の民生用デバイス用に設計されたリチウムイオン電池は、0°C未満で充電しないでください。これは、氷点下の電荷で負極に電気めっきが発生する可能性があり、これが永続的な問題になる可能性があるためです。安全とバッテリーの安全のために、多くのリチウムイオンベースのデバイスは、0〜45°Cの温度範囲外で充電することは許可されていません。

最後の言葉

リチウムイオン電池は、さまざまな用途での優れた性能により、電池技術の画期的な変化をもたらしています。これらのバッテリーについて詳しく知ることで、意図した用途でバッテリーを最大限に活用することができます。