最先端技術を駆使した数種類のリチウムイオン電池を紹介

1、すべての固体リチウムイオン電池

現在、市販のリチウムイオン電池電解質は液体であるため、液体リチウムイオン電池とも呼ばれます。簡単に言えば、全固体リチウムイオン電池とは、電池構造のすべてのコンポーネントが固体の形であり、従来のリチウムイオン電池の液体電解質とダイアフラムを固体電解質に置き換えることを意味します。

液体リチウムイオン電池と比較して、すべての固体電解質には次の利点があります：高いセキュリティ/優れた熱安定性、60〜120 ℃の条件下での長期作業;広い電位窓、5 v以上に達することができ、高電圧材料;リチウムイオン伝導電子を伝導するだけでなく、冷却システムはシンプルで高エネルギー密度です。薄型フレキシブル電池の分野で使用できます。しかし、欠点は明らかです。イオン伝導率の単位面積が低く、出力が常温よりも悪いです。コストは非常に高いです。大容量バッテリーの工業生産。

電解質材料の性能は、すべての固体リチウムイオン電池の電力密度、サイクルの安定性、安全性能、高温および低温性能、および耐用年数を大きく左右します。固体電解質は、クラスの高分子電解質（一般にPEOとリチウム塩LITFSI電解質ベース材料の混合物）と、酸化物や硫化物などの無機電解質の2種類に分類できます。すべての全固体電池技術は、次世代の電池技術が革新の開発に焦点を合わせていることを一般に認められており、技術は近い将来ますます成熟し、これらの問題は解決できると信じています。

2、高エネルギー密度電池三元材料

人々が電池のエネルギー密度を追求するにつれて、三元陰極材料はますます人々の注目を集めています。高い比容量と良好なサイクル性能、低コストの利点を備えた三元カソード材料は、一般に、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム材料の層構造を指す。材料中の電池電圧とニッケル元素含有量を改善することにより、三元陰極材料のエネルギー密度を効果的に改善することができます。

理論的には、三元材料自体に高電圧の利点があります。三元カソード材料の標準テスト電圧は4.35Vであり、通常の三元材料はこの電圧で良好なサイクル性能を示すことができます。電圧は4.5Vに増加し、対称材料（333および442）は190の容量を持つことができ、サイクルも良好で、532はサイクルが少なくなります。 4.6Vに充電すると、三元材料の環化が減少し始め、鼓腸現象が悪化します。現在、高電圧三元カソード材料の実用化を制限している要因は、一致する高電圧電解質を見つけることが難しいことです。

三元材料のエネルギー密度を上げる別の方法は、材料中のニッケルの含有量を増やすことです。一般に、高ニッケル三元陰極材料は、材料中のニッケルのモル分率が０．６より大きいことを意味し、そのような三元材料は高い比率を有する。容量と低コストですが、容量保持率が低く、熱安定性が劣ります。この材料の性能は、調製プロセスの改善によって効果的に改善することができます。マイクロナノのサイズと形態は、高ニッケルの三元カソード材料の性能に大きな影響を及ぼします。したがって、現在使用されている調製方法のほとんどは、均一な分散に焦点を合わせており、サイズが小さく、比表面積が大きい球状粒子が得られます。

多くの調製法の中で、共沈法と高温固相法の組み合わせが主流の方法です。まず、共沈法を用いて原料が均一で粒度が均一な前駆体を取得し、次に高温焼成を行って表面形態が規則的でプロセスの制御が容易な三元材料を取得します。これは、鉱工業生産。噴霧乾燥法は共沈法よりも簡単で、調製速度が速い。得られた材料形態は共沈法以上であり、さらなる研究の可能性を秘めています。カチオン混合中の高ニッケル三元カソード材料および充電および放電中の相変化の欠点は、ドーピングの変更およびコーティングの変更によって効果的に改善することができる。副反応の発生を抑制し、構造を安定化させながら、導電率、サイクル性能、レート性能、貯蔵性能、および高温高圧性能を改善することは、引き続き研究のホットトピックです。

3、大量のシリコンカーボンネガ

リチウムイオン電池のアノード材料の重要な部分として、電池のエネルギー密度、サイクル寿命、安全性能、およびその他の重要な指標に直接影響します。シリコンには、リチウムイオン電池の最高のカソード材料である既知の（4200mah / g）が与えられていますが、体積効果が300％を超えるため、充電および放電の過程でシリコン電極材料が粉砕され、流体、活性物質および活性物質の生成、活物質間の電気的接触の喪失、同時に常に新しい固体電解質層SEIの形成は、最終的に電気化学的特性の劣化につながります。この問題を解決するために、研究者たちは多くの調査と試みを行いました。シリコンカーボン複合材料は大きな応用の可能性があります。

炭素材料は、リチウムイオン電池の負極材料として、充放電時の体積変化が少なく、サイクル安定性に優れ、導電性に優れているため、シリコンとの再結合によく使用されます。カーボン-シリコン複合アノード材料では、カーボン材料の種類に応じて、シリコンと従来のカーボン材料、およびシリコンと新しいカーボン材料の2つのカテゴリに分類できます。従来のカーボン材料には、主にグラファイト、中間相ミクロスフェア、カーボンブラック。そしてアモルファスカーボン;新しい炭素材料には、主にカーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンゲル、グラフェンが含まれます。シリコン-カーボン複合材料は、カーボン材料の多孔性作用を利用して、シリコンの活性中心の体積膨張を抑制および緩衝し、粒子の凝集を防ぎ、電解質が中心に浸透するのを防ぎ、界面とSEIフィルムの安定性。

深センテリーや江西ジチェンなど、すでにこの種の新しいアノード材料に取り組んでいる多くのグローバル企業は、多くのシリコンカーボンアノード材料製品を開拓してきました。上海山山は工業化の過程でシリコンカーボン負極材料にあり、スターシティグラファイトはシリコンを持っています将来の新製品開発の方向性のためのカーボンアノード材料。

4、高電圧大容量リチウム材料

リチウムリッチマンガン系（XLI [たLi1 / 3のMn2 / 3] O2（1 - X）LiMO2は、Mは遷移金属であり、0≤X≤1のLiCoO 2と同様の構造）高い放電特定の容量を有しています現在使用されている正極材料の実容量は約2倍であるため、リチウム電池材料として広く研究されています。また、MN元素を多く含むため、LiCoO2や三元材料のLI [Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3] O2よりも環境に安全で安価です。したがって、Xli [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; （1–x）LiMO2材料は、多くの学者によって次世代のリチウムイオン電池カソード材料の理想的な材料と見なされています。

現在、主に共沈法を用いたリッチなリチウムマンガンベース材料を使用して、ゾルゲル法、固相法、燃焼法、水熱法、およびその調製方法を研究しているが、安定した共沈よりも材料性能が高い方法。材料は高い比容量を持っていますが、その用途にはまだいくつかの問題があります。最初のタイムサイクルでは、最大40〜100mah / gの不可逆容量。性能比が悪く、200mah / g未満で1cの容量。充電電圧が高いと電解液が分解し、サイクル性能が理想的ではなくなり、セキュリティ上の問題が発生します。金属酸化物コーティングやその他の正極材料を複合材料、表面処理に使用し、低電圧の上限、充電および放電プロセスの特殊な構造を構築することにより、上記の問題の豊富なリチウムマンガンベース材料などの対策が得られます解決。

2013年、Ningbo材料は新しい気固界面改質を開発し、豊富なリチウムマンガンアノード材料粒子に均一な酸素空孔を形成させ、初期の充放電効率、材料の放電比容量、およびサイクル安定性を大幅に改善しました。実用的なプロセスで、豊富なリチウムマンガンアノード材料を強力に推進しました。

5、高電圧耐性の電解質

リチウム電池材料に注意を払った高電圧ですが、実際の生産用途では、高電圧アノード材料はまだ良い効果を達成することができません。最大の制約は、炭酸電解質の電気化学的安定性ウィンドウが低く、バッテリー電圧が4.5（VS.LI/Li +）になると、電解質が深刻な酸化分解を開始し、リチウムバッテリーが正常ではない反応を引き起こしたことです。高電圧電解システムの耐性は、この新しい材料を促進するようになり、実際のアプリケーションにおける重要なリンクです。

新しい高圧電解質システムまたは高圧皮膜形成添加剤を開発および適用することによって電極/電解質界面の安定性を改善することは、しばしば経済的に好まれる高圧電解質を開発するための効果的な方法です。電解質の電圧に耐える能力を高めるそのような添加剤には、一般に、ホウ素含有、有機リン、炭酸塩、硫黄含有、イオン液体および他のタイプの添加剤が含まれる。ホウ素含有添加剤には、トリス（トリメチルアルカン）ボレート、リチウムビス（シュウレート）ボレート、リチウムジフルオロシュウレートボレート、テトラメチルボレート、トリメチルボレート、およびトリメチルシクロトリボランが含まれる。有機リン添加剤には、亜リン酸塩およびリン酸塩が含まれます。炭酸塩ベースの添加剤には、フッ素含有メルカプト化合物が含まれます。硫黄含有添加剤には、１，３－プロパンスルトン、ジメトイルメタン、トリフルオロメチルフェニルスルフィドなどが含まれる。イオン液体添加剤には、イミダゾールおよび四次ホスホニウム塩が含まれます。

国内外の研究ですでに公表されていることから、高圧添加剤の導入により4電解質耐性が得られます。ただし、充電電圧が4に達すると、4〜4.5 vの電圧になります。8vまたは5vを超える場合は、電解質のより高い耐電圧。

6、高温ダイヤフラムへの耐性

主にリチウムイオンを伝導し、絶縁するリチウムイオン電池のリチウム電池ダイヤフラムは、カソード間の電気的接触の役割であり、完了した電池の充放電電気化学プロセスをサポートする重要なコンポーネントの1つです。リチウム電池のプロセスでは、電池が過充電または高温になると、ダイヤフラムは十分な熱安定性（熱変形温度> 200 ℃ ）を備え、電池の正極と負極の接触を効果的に分離し、次のような短絡を防ぐ必要があります。熱暴走、さらには爆発事故。現在広く使用されているポリオレフィンダイヤフラムは、融点が低く軟化温度が低い（<165 ℃ ）ため、電池の安全性を効果的に保証することは困難であり、気孔率と表面エネルギーが低く、電池の性能比が制限されます。したがって、高温ダイヤフラムの安全性に対する高い耐性を積極的に開発することが非常に重要です。

Ningbo材料動力リチウム電池工学研究所とDalian化学物理学研究所のエネルギー貯蔵技術研究は、湿式プロセス成形技術を使用して、新しいタイプの耐熱性多孔質膜を開発しました。これは、低コストで定量化が容易な多孔質膜の調製です。製造。予備調査の結果、ダイヤフラムの熱変形温度は200 ℃をはるかに上回っており、不織布ダイヤフラムの商品化の熱安定性は、バッテリーの安全性を効果的に保証できることが示されています。同時に、多孔性が高く、細孔構造の曲率が高いこの種の多孔質膜は、電池の遊び能力を確保すると同時に、微小短絡および電池の自己放電現象を効果的に回避します。また、寧波材料は、3次元耐熱骨格ゲル複合膜とセラミック膜をベースに、耐熱複合ダイヤフラムの極薄イオン交換機能層を開発しました。

寧波材料に加えて、2015年に三菱樹脂がセパレーターに高耐熱無機フィラーをコーティングし、セパレーターが220°Cで適切な抵抗値を維持し、電流の通過を遮断できるようにしました。

7、リチウム硫黄電池

リチウム硫黄電池は、電池の正極に硫黄元素を、負極にリチウム金属を使用したリチウム電池です。一般的なリチウムイオン電池との最大の違いは、リチウム硫黄電池の反応機構が電気化学反応であり、リチウムイオンの脱インターカレーションではないことです。リチウム硫黄電池の動作原理は、複雑な電気化学反応に基づいています。これまでのところ、硫黄電極の充電および放電中に形成される中間生成物の特性を明らかにすることはできませんでした。放電中の負極の反応は、リチウムが電子を失ってリチウムイオンになり、正極が硫黄と反応してリチウムイオンおよび電子と反応して硫化物を形成すると一般に考えられている。正極と負極の電位差は、リチウム硫黄電池から供給される放電電圧です。印加電圧の作用下で、リチウム硫黄電池の正極と負極が逆に反応します。これが充電プロセスです。

リチウム硫黄電池の最大の利点は、理論上の比容量（1672mAh / g）と比エネルギー（2600Wh / kg）であり、市場で広く使用されている他の種類のリチウムイオン電池よりもはるかに高く、硫黄が豊富です。予備。このバッテリーは安価で環境に優しいです。ただし、リチウム硫黄電池にはいくつかの欠点もあります。元素硫黄の電子伝導率とイオン伝導率が低い。リチウム硫黄電池の中間放電生成物は有機電解質に溶解し、ポリサルファイドイオンが正極と負極の間を移動して活性を生じます。物的損失;金属リチウムアノードは、充電および放電中に体積変化を起こし、デンドライトが容易に形成されます。硫黄正極は、充電および放電中に最大79％の体積膨張/収縮を示します。

これらの問題を一般的に電解質とアノード材料の2つの側面から解決する主な方法である電解質は、主に電解質バッテリー電解質としてエーテルを使用し、いくつかの添加剤を加えると、リチウム硫黄化合物が問題を解決するのに非常に効果的です。アノード材料は、主に硫黄と炭素の複合材料、または硫黄と有機化合物であり、硫黄の非導電性および体積膨張の問題を解決できます。

リチウム硫黄電池はまだ研究開発の段階にあり、中国科学院、南洋理工学院、スタンフォード、工業技術研究院、筑波大学が主導しており、SionPowerはノートブック、無人航空機の分野に携わってきました。 （uav）は重要なアプリケーションを実行しました。

8、リチウム空気電池

リチウム空気電池は、日本の工業技術研究院と日本の外部学術機関（JSPS）が共同開発した新しいタイプの大容量リチウムイオン電池です。固体電解質によって分離された2つの電極間の、アノードとしてリチウム金属、アノードとして空気中の酸素を備えたバッテリー。有機電解質を使用した陰極、陽極は水性電解質を使用しています。

放電時に、アノードはリチウムイオンの形で有機電解質に溶解し、次に固体電解質を介してアノードに移動した水性電解質。超微粉化モデルでは、アノードへの電信送金、空気中の酸素、および水中の電子。炭素表面ヒドロキシルの反応後に生成され、リチウムイオンと結合したアノードの水性電解質中で、水溶性水酸化リチウムが生成された。カソードへのワイヤー転送による電子的、固体リチウムイオン電解質を介してアノード水性電解質から充電すると、アノードの表面に到達し、カソード表面が反応して金属リチウムを生成する。ヒドロキシルのポジティブは、電子的に生成された酸素を失います。

リチウム空気電池は、アノードとカソードの電解質リチウムを交換することにより、充電なしで、50000mah / gもの高い放電容量、高エネルギー密度、理論的には30kgの金属リチウムと40lのガスが同じエネルギーを放出します。リサイクルが容易で環境にやさしい水酸化リチウム製品。しかし、サイクルの安定性、変換効率、および性能比が欠点です。

2015年、ケンブリッジ大学グレイは高エネルギー密度のリチウム空気を開発しました。充電回数は「2,000回以上」で、理論的にはエネルギー利用効率が90％を超え、リチウム空気電池の実用化が一歩進んだ。 IBMは、早くも2009年に、家庭用電気自動車に適したリチウム空気電池を開発するための持続可能な輸送プロジェクトを開始しました。 1回の充電で約500マイル走行したいと考えています。最近では、朝日加成と日本のセントラルグラスコーポレーションもこのプロジェクトに参加しており、リチウム空気電池の分野で研究機関や有名企業の研究開発がこの電池技術の応用を大いに促進するでしょう。

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