リチウムイオン電池の寿命に影響を与える 5 つの要素

リチウムイオン電池を使用することには、より高い動作電圧、より高い比エネルギー、小型サイズ、軽量、より長いサイクル寿命、より低い自己放電率、メモリー効果の欠如、無公害など、多くの利点があります。その結果、大容量リチウムイオン電池は、3C 製品、電力、エネルギー貯蔵などのさまざまな業界で頻繁に利用されています。リチウムイオン電池の最も重要な特徴の 1 つは間違いなくその寿命です。

しかし、バッテリーの故障につながるバッテリー容量の低下は、個人と企業の両方の財政と生産性に重大な脅威をもたらします。温度、充放電電圧、電流、バッテリーの充電または放電の量は、バッテリーの劣化速度に影響を与える要因のいくつかです。

リチウム電池の構造と原理をご紹介

基礎

充電式リチウムイオン電池は、主に正極と負極の間のリチウムイオンの移動によって機能します。 Li+ は、充電および放電中に 2 つの電極間を行き来して埋め込まれたり、埋め込まれたりします。充電中、Li+ はリチウムリッチ状態にある電解質を介して負極に埋め込まれ、正極から取り出されます。最新の高性能バッテリーは通常、リチウムを含む材料で作られた電極を備えています。

リチウムイオン電池の原理

炭素系材料はリチウムイオン電池の負極として使用され、リチウム含有化合物は正極として使用されます。リチウムイオン化合物が組み込まれた電池は、リチウムイオン電池の正極材料として機能します。リチウムイオンの埋め込みと非埋め込みは、リチウムイオン電池の充電および放電プロセス中に発生します。

リチウム イオンは、リチウム イオンに相当する電子の埋め込みおよび埋め込み解除と同時に、埋め込みおよび埋め込み解除を行います (通常、埋め込みまたは埋め込み解除は正極を表すために使用され、挿入または挿入解除は正極を表すために使用されます)。負極）。リチウムイオンは、充放電中に正極と負極の間で埋め込まれたりみなされたりして前後に挿入されます。このプロセスは、前述の理由から「ロッキングチェアバッテリー」として知られています。

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リチウムイオン電池の構造

電子電極はバッテリーが放電する際に外部回路から取得され、この時に電極が減少します。通常、電極は高電位になります。リチウムイオン電池は、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどの電極を使用します。電池が放電すると、電極は電子を外部回路に伝達し、電極を酸化させます。グラファイト電極は通常低電位電極であり、リチウムイオン電池に使用されます。

電解質は非常に重要な要素です。

バッテリーの可逆容量の影響は、電解液によって大きく影響されます。電解質の相互作用は、電極材料の分解とリチウムイオンの埋め込みのプロセス全体で発生し、この相互作用は電極材料の界面の状態と内部構造の変化に大きな影響を与えます。電解液は正極材料と負極材料の間の相互作用中に失われるため、電解液の種類と注入量も電池寿命に影響します。また、SEI膜の形成や予備充電の際にも電解液が消費されます。

リチウムイオン電池の製造工程

設計と製造プロセス

材料の選択は、リチウムイオン電池の設計において最も重要な役割を果たします。製造された電池の性能には差があり、材料が異なれば性能も異なります。正極材料と負極材料の両方が優れたサイクル性能を備えているため、バッテリーのサイクル寿命が長くなります。一般に、設計および組み立てのプロセスでは、負極の容量が正極の容量と比較して過剰であることが必要です。

充電が行われると、リチウムが負極から析出し、リチウム樹枝状結晶が生成されます。これは極端な場合を除き、安全性を損ないます。正極と比較して負極の量が過剰であるため、正極内のリチウムイオンは最終的に解放され、構造が崩壊します。

バッテリーの寿命は、電解液の性質と量によっても異なります。正極と負極の材料、コーティング、シート、巻き取り、外装、液体注入、封止、成形などはすべて、リチウムイオン電池パックの製造プロセスの一部です。バッテリーの処理の各段階の仕様は非常に厳格です。慎重に管理されない手順は、バッテリーのサイクルに影響を与える可能性があります。

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ライフサイクル

リチウムイオンは、リチウムイオン電池パックの充放電サイクル中に挿入され、電解質を通じて正極材料と負極材料の間を往復輸送されます。リチウムイオン電池パックのサイクル中には、正極と負極での酸化還元活動に加えて、他の副反応も発生します。

リチウムイオン電池の副反応を最小限に抑え、リチウムイオンが電解質を介して正極材料と負極材料の間を連続的かつスムーズに移動できるようにすれば、リチウムイオン電池のライフサイクルを延ばすことができます。

バッテリーの容量と寿命は、正負の集電体の特性にも影響されます。アルミニウムと銅はどちらも腐食性の金属元素であり、リチウムイオン電池パックの正極と負極の集電体材料としてよく利用されます。

接着不良、局所的な腐食（孔食）、全体的な腐食、集電体が腐食した後の不動態皮膜の生成などの要因により、電池の内部抵抗が上昇し、容量が低下し、放電効率が低下します。酸アルカリエッチング、導電性コーティング、その他の前処理技術により、密着性と耐食性を向上させることができます。

充放電サイクル

リチウムイオン電池パックは、充電と放電サイクルのプロセスを通じて使用されます。リチウムイオン電池のライフサイクルは、充放電電流の大きさ、充放電終止電圧の選択、使用する充放電方法などによって大きく影響されます。 リチウムイオン電池の性能バッテリーパックは、バッテリーの動作電流、充電終止電圧、放電終止電圧をランダムに変更することで劣化します。

負極では、過放電プロセス中にリチウムイオンが過剰に除去されるため、その後の充電中にリチウムイオンが再挿入されにくくなります。リチウムイオン電池の放電容量と充放電サイクル全体にわたる効率は両方とも大幅に低下します。さらに、リチウムイオン電池は大電流条件下では溶融しやすく、機器の部品が損傷する可能性もあります。