リチウムイオン電池のアノードとカソード–動作、化学反応、および材料

電子機器や機器に囲まれたこの急速に成長する技術の時代において、バッテリーは非常に重要になっています。これらのバッテリーは、私たちの日常生活のほぼすべての側面を制御し、さまざまな種類のバッテリーがその役割を果たしています。バッテリーは、化学を利用して電気エネルギーを生成する電気化学デバイスです。バッテリーは、カソードとアノードの2つの部分で構成されています。陰極は金属酸化物であり、陽極は炭素またはグラファイトでできています。カソードとアノードは、電気出力を生成する化学反応で主要な役割を果たします。

アノードとカソードはリチウムイオン電池でどのように機能しますか

他の電解反応と同じように、リチウムイオン電池内の反応も同じです。イオンの交換は、電解質の間の材料の助けを借りて、アノードとカソードの間で発生します。

バッテリーの放電状態の間、リチウムイオンは電解質を介してアノード（負極）からカソード（正極）に移動します。一方、リチウムイオン電池の充電プロセス中、イオンはカソード（正極）からアノード（負極）に移動します。

リチウムイオン電池のカソードは、補間されたリチウム化合物である二酸化マンガンリチウムで構成されています。アノードは、典型的には炭素でできています。バッテリーの放電段階では、酸化反応がアノードで発生し、リチウムイオン（正）、電子（負）、およびいくつかの副生成物がアノードで生成されます。リチウムイオンと電子は電解質を透過し、電解質は還元反応でカソードで再結合します。

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リチウムイオン電池の電解質は、リチウム塩の組み合わせです。外部回路は、反応中に生成されるリチウムイオンと電子の導電率パスを提供します。電解液自体は電池の反応に関与しません。放電プロセス中に発生する反応により、セルの化学的電力が低下し、外部回路を介して接続されている負荷に電気エネルギーが供給されます。充電プロセス中、これらのステップはすべて逆になります。この段階で、外部回路は充電プロセスを開始するための電気エネルギーを提供し、この電気エネルギーはセル内で化学エネルギー（反応によって得られる）の形で保存されます。

リチウムイオン電池の化学反応とは

1.半電池反応

a。アノード反応（バッテリー放電中）：

アノードでは、リチウムがLiからLi +に酸化されます。酸化状態が0から+1に変化することを意味します。リチウム-グラファイトアノードで進行中の化学反応は、象徴的に次のように表されます。

LiC6 C6 + Li + + e–

b。カソード反応（バッテリー放電中）：

アノードからのこれらのリチウムイオンは、電解質を介して媒体をカソードに移動します。ここでそれらはコバルト酸リチウムに組み込まれます。そしてここでそれはコバルトを+4から+3の酸化状態に還元します。カソードで発生するこのすべての反応は、象徴的に次のように表されます。

CoO2 + Li + + e- LiCoO2（s）

2.全体的な反応（バッテリー放電時）

これらの化学反応は、バッテリーが放電しているときに発生します。全体的な化学反応は、象徴的に次のように表されます。

LiC6 + CoO2 C6 + LiCoO2

3.化学反応（バッテリー充電時）：

バッテリーまたはセルの再充電時に、これらの反応はすべて逆に発生します。これは、リチウムイオンが離脱し、コバルト酸リチウムカソードの結合が切断されることを意味します。これらのリチウムイオンは再びアノードに戻ります。ここで再び還元され、グラファイトシステムに統合されます。

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リチウムイオン電池に適したアノードとカソードの材料

アノードとカソードはセルの主要部分を形成し、バッテリーがその主要な機能を実行するのを助ける反応を生成し、電気エネルギーを提供します。化学的または電気的危険なしにバッテリー性能を最適かつ効率的に保つために、これまで市販のセルで以下の材料が使用されてきました。

カソード材料

カソード材料は通常、LiCoO2またはLiMn2O4から構成されます。

コバルトベースの材料

コバルトベースの材料は、2次元のリチウムイオン拡散を可能にする疑似四面体構造を開発します。コバルトベースのカソードは、高い理論比熱容量、高い体積容量、低い自己放電、高い放電電圧、および優れたサイクル性能のために理想的です。

マンガンベースの材料

マンガン系材料は、三次元リチウムイオン拡散を可能にする立方晶格子系を採用しています。マンガンは安価であり、その限界を克服できれば、理論的にはより効率的で長持ちするバッテリーを作るために使用できるため、マンガンカソードは魅力的です。 LiFePO4は、低コスト、優れた安全性、高いサイクル耐久性により、電気自動車用途などのリチウムイオン電池の大規模生産の候補にもなります。

アノード材料

現在、アノードの構築に使用される最も一般的な材料は3つあります。

カーボンベースのアノード

グラファイトは、炭素ベースのアノードの構築に使用される最も一般的な炭素の形態です。これらのアノードは、六角形と菱面体晶の形状のシートで構成されています。リチウムイオンがアノードと接触すると、グラファイトシートは再配置されます。炭素ベースのアノードは費用効果が高く、簡単に入手できます。また、リチウムイオン電池に必要な最適な電気化学的特性も備えています。

非グラファイトアノード

リチウムイオン電池は研究と一貫した開発が行われているため、現代のグラファイトカーボンの使用が進んでいます。科学者は、変更されたグラファイトフォームの使用が電気化学的特性を改善するのに役立つと報告しました。これらの不純な形態のグラファイトは、それ自体を層に再配列するグラファイトの特性を欠いている。非グラファイトアノードは、固体電解質と組み合わせて効率的に機能し、リチウム-二酸化マンガンと組み合わせることができます。

リチウム合金アノード

リチウム合金アノードは、リチウムイオン電池技術に最近追加された多くの製品の1つです。リチウム-アルミニウム、Li-Al、アノードは、このカテゴリーで開発された最初のリチウム-合金アノードです。これらの合金アノードは、リチウム電池のリサイクルに大きな進歩をもたらします。リチウムチタン酸化物は、従来のカーボンアノードに代わるものとして開発された別の合金アノードです。これらのアノードは、リチウムの補給および除去プロセス中に発生する体積変化がないため、サイクルが改善されるため、追加の利点があります。これらのアノードの問題は、動作電圧レベルが高いため、高密度のエネルギー出力を生成できないことです。