リチウムイオン電池のアノードとカソード材料の導入

リン酸鉄リチウム、三元リチウム電池などの用語は、リチウムイオン電池のアノード材料にちなんで名付けられています。相対的に言えば、アノードとカソードの材料の影響は、バッテリーの性能に重要な役割を果たします。最近の市場で通常のアノードとカソードの材料は何ですか？リチウムイオン電池に対するそれらの長所と短所は何ですか？

アノード材料

まず、アノード材料の次の要因について詳しく考えます。

リチウムイオン電池がリチウムイオン電池のより高い出力電圧に到達するのを助けるために、より高い酸化還元反応電位を有する。

リチウムイオン電池のエネルギー密度が高くなるように、リチウムイオンの含有量が多く、材料の充填密度が高い。

リチウムイオン電池のサイクル寿命を延ばすため、化学反応時の構造安定性に優れています。

リチウムイオン電池の充電と放電の速度が良いように、導電率が高い。

化学的安定性と熱安定性に優れ、分解や加熱が容易ではないため、リチウムイオン電池の安全性に優れています。

リチウムイオン電池のコストを下げるために、低価格にします。

大量生産につながるように、比較的簡単に処理できます。

環境に優しく、リサイクルしやすいこと。

エネルギー密度、充電および放電速度、安全性能などを含むいくつかの重要な指標は、主にアノード材料によって制限されます。

これらの要因に基づいて、市場に出回っている最近のアノード材料は、エンジニアリング研究と市場検査の結果、次のとおりです。

コバルト酸リチウムは、最も早く商品化されました。第一世代のリチウムイオン電池は、1990年にソニーから発売されたコバルト酸リチウム電池です。その後、消費者向け製品に広く使用されました。携帯電話、ラップトップ、タブレットPCの大量採用により、コバルト酸リチウムはリチウムイオン電池のアノード材料の販売量で人気のある材料となっています。ただし、品質と体積の比率が低い（エネルギー密度と等しくない）という欠点があります。理論上の制限は274mAh / gです。アノードの安定構造を考慮すると、理論上の制限（137mAh / g）の50％にしか達することができません。また、地球上にはコバルトが少ないため、コバルト酸リチウムはコストが高く、パワーバッテリー分野では広く使用できず、徐々に他の材料に取って代わられています。

安定性、安全性能、および材料合成に欠点があるため、ニッケル酸リチウムは商業用途が少ない。この材料は市場ではほとんど見つかりません。

リチウムマンガン酸塩の商品化は、主にリチウムイオン電池の重要な分野の1つであるパワー電池分野で行われています。例えば、ジャパンリーフの電子自動車は、ジャパンAESCのリチウムマンガン電池を採用しています。それ以前のボルトも韓国LGのリチウムマンガン電池を採用しています。マンガン酸リチウムの大きな利点は、低コストと優れた低温性能ですが、欠点は、比容量が低く（制限値は148mAh / g）、高温性能が低く、サイクル寿命が短いことです。したがって、マンガン酸リチウムはその開発に明らかなボトルネックがあります。最近の研究の方向性は、他の元素をドープしてその欠点を補うことによるマンガン酸リチウムの改質です。

リン酸鉄リチウムは、しばらくの間中国で人気がありました。一方では、それはアメリカの科学研究機関や企業からの技術サポートを受けています。一方、中国でのBYDの工業化の影響を受けて、国内企業のリチウムイオン電池の材料は、近年主にリン酸鉄リチウムです。しかし、世界中のリチウムイオン電池のエネルギー密度の要件はますます厳しくなっています。リン酸鉄リチウムの理論比容量は170mAh / gですが、実際の値は約120mAh / gであり、用途が限られています。その上、それは魅力的なレート機能または低温性能を持っていません。最近、BYDは改良されたリン酸鉄リチウム材料をリリースし、明らかにエネルギー密度を向上させました。技術を明らかにすることなしに、彼らが材料に何を追加したかは誰にも分かりません。生産応用分野に関しては、電力貯蔵市場はリン酸鉄リチウム電池の重要な市場かもしれません。対照的に、この市場はエネルギー密度に敏感ではありませんが、長いサイクル寿命、低コスト、高い安全性能は、まさにリン酸鉄リチウム材料の利点です。

日本と韓国のカウンターパートは、近年、三元材料の適用を強く推進している。 NCMが徐々に市場の主流になるので、国内企業もその傾向に従い、徐々に材料をNCMに置き換えています。三元材料の比容量が大きいため、最近の市場の製品はすでに170〜180mAh / gに達し、その後、単セルのエネルギー密度を約200Wh / kgに改善して、長い走行距離の要件を満たします。電気自動車の。さらに、三元材料の組成（X、Yの値）を変更することで、PHEVおよびHEVの高速で小容量のリチウムイオン電池の要件を満たす優れたレート機能を実現できます。これが、三元材料が非常に人気がある理由です。化学式から、NCMはコバルト酸リチウム（LiCoO2）とマンガン酸リチウム（LiMn2O4）の利点を統合し、Ni元素でエネルギー密度とレート能力を向上させることができることがわかります。

NCAは、一定の割合のコバルトとアルミニウム元素（わずかな割合）を含む、修飾されたリチウムニッケル酸塩材料にすることができます。商用化されているのは日本パナソニックであり、他の電池会社はこの材料についてほとんど研究していません。比較の理由は、人気のテスラがパナソニックの18650 NCA三元電池を電気自動車のパワーバッテリーシステムに適用し、500km近くの耐久走行距離を実現したことから、このアノード材料がその特定の価値を持っていることが証明されます。

上記のすべてはリチウムイオン電池の一般的なアノード材料ですが、すべての技術の方向性を代表するものではありません。実際、大学や科学研究機関だけでなく、企業もエネルギー密度やサイクル寿命などのキーインデックスをより高いレベルに引き上げるために、新しいタイプのアノード材料リチウムイオン電池の研究に懸命に取り組んでいます。現在、商用化されたアノード材料は、2020年にエネルギー密度で250Wh / kg、さらには300Wh / kgに達することを実現できないため、アノード材料は、固溶体材料の層状構造をスピネル構造に変更するなどの技術革新が必要です。有機化合物材料も人気のある研究の方向性の1つです。

カソード材料

比較すると、リチウムイオン電池の陰極材料の研究は陽極材料よりも少ないですが、陰極材料は電池の性能向上に重要な役割を果たしています。リチウムイオン電池のカソード材料を選択するときは、次の要素を考慮する必要があります。

それは層状またはトンネル構造である必要があり、これはLiイオンの脱埋め込みに有利です。

Liイオンの脱埋め込み時に構造に変化がなく、充放電の可逆性とサイクル寿命が優れています。

リチウムイオンは、電極のより高い可逆容量を確保するために、可能な限り多くの埋め込みと埋め込み解除を試みます。

酸化還元反応の電位が低く、アノード材料と協調して、出力電圧が高くなります。

初めての小さな不可逆放電比容量

電解溶剤との整合性が良い

リソースが豊富で低価格

良好な安全性能

環境にやさしい

リチウムイオン電池にはさまざまな種類の正極材料があります。それらは、化学組成によって、金属カソード材料（合金を含む）、無機非金属カソード材料、および金属酸化物カソード材料に分類することができます。

金属カソード材料：これらの材料は、リチウム挿入の素晴らしい能力を持っています。研究で最も初期のカソード材料はリチウムです。安全性の問題と電池のサイクル性能の悪さのために、リチウムはカソード材料として広く適用されていません。近年、スズ基合金、Al基合金、マグネシウム基合金、Sb基合金などの合金カソード材料を研究する傾向があり、新たな研究の方向性となっています。

無機非金属カソード材料：主に炭素材料、シリコン材料、その他の非金属複合材料です。

遷移金属酸化物材料：安定した構造、長いサイクル寿命などの利点があります。これらの材料には、酸化リチウム（チタン酸リチウム）、スズベースの複合酸化物などが含まれます。

最近の市場では、カソード材料は、グラファイトおよび非グラファイトカーボン材料を含むカーボン材料を優先している。自動車や電動工具の分野では、チタン酸リチウムがその優れたサイクル寿命、安全性能、レート能力のためにカソード材料として適用されていますが、エネルギー密度が低下するため、市場で主流になることはできません。ソニーが製品を開発しているスズ合金を除いて、他のカソード材料は主に研究開発段階にありますが、市場化への応用はめったにありません。

開発の傾向としては、サイクルの問題が完全に解決されれば、シリカベースの材料が炭素材料に取って代わり、リチウムイオン電池の次の主要なカソード材料になる可能性があります。スズ合金、シリコン合金などを含むアノードのカソード材料も人気のあるトレンドであり、製品と市場に近づくでしょう。また、安全性能とエネルギー密度の高い酸化鉄はチタン酸リチウム（LTO）に取って代わる可能性があり、長いサイクル寿命と安全性能が要求される分野で広く使用されています。

リチウムイオン電池とエネルギーに関連する2つの主要な指標であるエネルギー密度と充電および放電率の詳細は次のとおりです。

エネルギー密度は、単位体積または重量でのストレージ容量です。高いほど良いです。充電と放電の速度は、エネルギーの貯蔵と放出の速度です。 1秒あたりの速度を上げて、瞬時に充電および放電する方がよいでしょう。

実際、私たちは無限のエネルギーを持つことも、一瞬でエネルギーシフトを実現することもできません。そのため、継続的にプロセスを作成する必要があります。