リチウムイオン電池用のアノードおよびカソード材料の紹介

リチウムイオン電池のアノード材料の種類によって分けられる、リン酸鉄リチウム、三元リチウム電池の用語を見るのは普通です。相対的に言えば、リチウムイオン電池のアノードとカソードの材料は、バッテリーの特性により大きな影響を及ぼします。しかし、現在の市場で一般的なアノード材料は何ですか？リチウムイオン電池を作るための長所と短所は何ですか？

1.アノード材料

まず、主に以下の要因に基づいて、アノード材料、アノード材料の選択を見てみましょう。

1）REDOX電位が高い場合は、リチウムイオン電池を作成して高出力電圧を実現します。

2）リチウム含有量が高く、材料のかさ密度が高く、リチウムイオン電池のエネルギー密度が高い。

3）構造安定の過程での化学反応が良くなり、リチウムイオン電池のサイクル寿命が長くなります。

4）導電率が高く、リチウムイオン電池を作ると、充電と放電の速度が優れています。

5）化学的安定性と熱安定性が向上し、分解や発熱が起こりにくく、リチウムイオン電池の安全性が向上します。

6）安価で、リチウムイオン電池のコストを十分に低くします。

7）製造工程は比較的シンプルで、大量生産が容易です。

8）環境への汚染が少なく、リサイクルが容易です。

現在、エネルギー密度、充電および放電率、リチウムイオン電池のセキュリティなどのいくつかの重要な指標は、主にアノード材料の影響を受けます。

考慮すべきこれらの要因に基づいて、エンジニアリングの研究とテストの市場化後、現在の一般的なアノード材料の市場は以下の表に示されています。

コバルト酸リチウムの商用利用が最初であり、リチウムイオン電池の第1世代の商用利用は1990年にソニーがコバルト酸リチウムイオン電池の市場に参入し、その後消費者製品に大規模に適用されます。携帯電話、ノートブック、タブレットの大人気により、コバルト酸リチウムはかつて最大の材料の販売でリチウムイオン電池のカソード材料でした。しかし、その固有の欠点の品質は与えられています（）はエネルギー密度が低いのと同じではありません、限界の理論は274 mAh / gです、正の構造安定性のために、50％の理論値しか達成できません実際の用語、すなわち137 mah / g。同時に、地球上のコバルト元素が少ないため、コバルト酸リチウムのコストも高くなり、ハードパワーバッテリー分野での大規模な普及により、コバルト酸リチウムアノード材料は徐々に他の材料に置き換えられます。

安定性、セキュリティ、欠点の材料合成の難しい側面のために、ニッケル酸リチウムの商業的応用は少なく、市場ではめったに見られないので、ここでは説明しません。

主にパワーバッテリーの分野でのマンガン酸リチウムの商業的応用は、リチウムイオンバッテリーのより重要な分野です。日産の葉の電気自動車などは、AESC日本企業のマンガン酸リチウムイオン電池を使用し、初期のシボレーボルトも韓国のLG化学マンガン酸リチウムイオン電池を使用しています。マンガン酸リチウムの顕著な利点は、低コスト、優れた低温性能です。欠点は、比容量が低く、148 mAh / gの制限があり、高温性能が低く、サイクル寿命が短いことです。そのため、リチウムマンガン酸の開発には明らかなボトルネックがありました。近年、研究の方向性は主に修飾リチウムマンガン酸であり、他の元素をドープすることでその欠点を変えています。

しばらくの間、中国のリチウム鉄リン酸塩材料は、一方ではドライブの技術的な部分の科学研究機関や企業によって、他方では、数年のリチウムイオン電池の前に、自宅でBYDによって駆動される工業化パワーバッテリーの分野の国内企業は、基本的にリン酸鉄リチウム材料を優先しています。しかし、リチウムイオン電池のエネルギー密度に対する世界的な需要はますます高くなり、リン酸鉄リチウムの理論上の限界の比容量は170 mAh / gであり、実際には約120 mAh / gにしか到達できないため、現在および将来の市場の需要に対応します。さらに、リン酸鉄リチウムの性能の比率、故障などの低温特性も、リン酸鉄リチウムの用途を制限します。 BYDは最近、改良されたリン酸鉄リチウム材料を考案しました。エネルギー密度は大幅に増加しました。また、具体的な技術的な詳細は示されていませんでした。内部の材料がわかりません。製品の応用分野では、電力はリン酸鉄リチウムイオン電池のエネルギー貯蔵市場である必要があります。これとは対照的に、市場はエネルギー密度に特に敏感ではなく、長寿命、低コスト、高セキュリティが急務です。電池の需要、リン酸鉄リチウム材料の利点。

近年、日韓企業は三元材料の適用を積極的に推進し、ニッケルコバルトマンガン三元材料が徐々に市場の主流になり、国内企業も以下の戦略を取り、徐々に三元材料に目を向けている。三元材料の高い比容量、現在市販されている製品はすでに170〜180 mAh / gに達することができ、バッテリーモノマーのエネルギー密度をほぼ200 wh / kgに増やすことができ、長距離電気の要件を満たします車。また、三元材料（x、y）の比率を変えることで、PHEVやHEV車の大容量小容量リチウムイオン電池の需要に応えるため、良好な性能比を実現することができます。三元素材が人気です。化学式からわかるように、ニッケルコバルトマンガン三成分材料は（LiCoO2）とコバルト酸リチウムマンガン酸リチウム（LiMn2O4）を組み合わせ、ニッケル元素と同時に、エネルギー密度と性能比を向上させることができます。

アルミニウムニッケルとコバルトの三元材料は、厳密に言えば、実際にはリチウムニッケル酸（LiNiO2）材料の修飾であり、その中にはコバルトとアルミニウムの一定の割合（少ない）が含まれています。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。比較のために、有名なテスラは、電気自動車のパワーバッテリーシステムにパナソニック18650アルミニウムニッケルとコバルトの三元バッテリーを使用し、500キロメートルの範囲に近づけたため、正極材料を示していますが、それでも独自の価値があります。

上記は一般的なリチウムイオン電池のカソード材料であり、すべての技術的なルートを表すものではありません。実際、大学、研究機関、企業の両方が、新しいタイプのリチウムイオン電池のカソード材料を研究しようとしており、エネルギー密度や寿命などの主要な指標をより高いレベルに促進したいと考えています。そしてもちろん、2020 Wh / kgで250に到達したい場合、300 Wh / kgのエネルギー密度指数でさえ、アノード材料の商業的応用は今では実現できないので、技術変化のアノード材料はもっとそのようなものでなければなりません固体材料のスピネル構造の層状構造の変化、および有機化合物の正極材料として、現在人気のある研究の方向性があります。

2.カソード材料

対照的に、リチウムイオン電池のアノード材料に関する研究は、アノード材料ほどではありませんが、リチウムイオン電池のアノード材料の性能の改善は依然として重要な役割を果たしています。リチウムイオン電池のアノード材料の選択では、次の条件：

1）埋め込まれたリチウムイオンを容易に離陸させるために、層状またはトンネル構造にする必要があります。

2）構造を変えずに埋め込むとリチウムイオンになり、充電と放電の可逆性とサイクル寿命が良好です。

3）電極が高い不可逆容量を持つように、埋め込みと出力のリチウムイオンは可能な限り多くする必要があります。

4）REDOX反応の可能性が低く、アノード材料が協調してバッテリーの出力電圧を高くします。

5）初めて不可逆放電比容量が小さい。

6）電解質溶剤との相溶性が良好です。

7）豊富なリソース、低価格。

8）セキュリティ;

9）環境にやさしい。

リチウムイオン電池のアノード材料には多くの種類があり、化学組成に応じて、金属アノード材料（合金を含む）、無機非金属アノード材料、および金属酸化物アノード材料に分けることができます。

（1）金属アノード材料：超高インターカレートされたこの種の材料-より多くの容量。初期の研究はリチウム金属のアノード材料です。電池の安全性とサイクル性能が悪いため、負極材料としての金属リチウムは広く使用されていません。近年、スズ基合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、アンチモンなどの合金陽極材料クラスがより広範な研究を行っており、新しい方向性があります。

（2）無機非金属アノード材料。主に炭素、シリコン、その他の非金属複合材料の無機非金属材料のリチウムイオン電池カソード材料に使用されます。

（3）遷移金属酸化物材料：この種の材料は、一般に、構造安定性、長いサイクル寿命を有し、例えば、リチウム遷移酸化物（チタン酸リチウムなど）、スズベースの複合酸化物である。

現在の市場、大規模な商業用途の観点から、アノード材料は依然として炭素材料を優先しており、グラファイトおよびグラファイト炭素材料が使用されている。自動車や電動工具の分野では、カソード材料としてのチタン酸リチウムも特定の用途があり、主に非常に優れたサイクル寿命、セキュリティ、および性能比を備えていますが、バッテリーのエネルギー密度を低下させるため、主流ではありません。スズ合金製品のSONYに加えて、他のタイプのアノード材料は、科学的研究とエンジニアリング開発で優先され、市場への適用は少なくなっています。

今後の開発動向としては、循環性能を効果的に解決できれば、次世代のリチウムイオン電池アノード材料として、シリコン系材料がカーボン材料に取って代わる可能性があります。クラスのシリコン合金アノード材料であるスズ合金も非常に人気のある方向であり、工業化に向けられます。さらに、酸化鉄の安全性と高エネルギー密度は、チタン酸リチウム（LTO）に取って代わる可能性があり、一部の高地では長寿命とセキュリティ要件が広く使用されています。

以下の内容では、リチウムイオン電池の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について簡単に説明します。

エネルギー密度は、単位体積または単位重量あたりのエネルギーを蓄えることができるものであり、インデックスが高いほど、もちろん、すべてのエッセンスが集中しています。充電と放電の速度、エネルギーの貯蔵と放出の速度は、数秒の速度である方がよいでしょう。

もちろん、これらは理想的な状態です。実際、さまざまな現実的な要因の影響を受けて、無制限のエネルギーを得るのは困難です。どちらもエネルギーの即時伝達を実現することはできません。これらの限界を継続的に打ち破り、より高いレベルの研究を達成する方法の答えを見つけることは私たちの責任です。

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