リチウムイオン電池はどのように機能しますか？

リチウム金属からリチウムイオンへの変化

リチウム電池の研究は1912年にGNルイスで始まりましたが、リチウム一次電池が初めて商品化されたのは1970年代初頭まででした。 1980年代に科学者たちはリチウム二次電池の開発を試み始めましたが、負極材料として使用されるリチウム金属は非常に不安定であり、原材料の制限により開発が遅れています。

リチウムは間違いなくすべての金属の中で最も軽いので、電気化学ポテンシャルが最も高く、単位重量あたりの比エネルギーが最大であり、リチウム金属をアノード（負極）として使用する二次電池[1]は非常に高いエネルギー密度を持っています。しかし、1980年代半ばには、金属リチウムアノードがバッテリーのサイクル中に有害なデンドライトを生成し、樹枝状の成長中にセパレーターに穴を開けてバッテリーを短絡させることが容易であることがわかりました。その後、バッテリーの温度が急激に上昇し、リチウムの融点に近づき、最終的に熱暴走によりバッテリーが発火し、爆発さえ引き起こします。例えば、1991年には携帯電話のリチウム電池の使用中に放出された可燃性ガスによる火傷により、日本に販売された多数の金属リチウム二次電池が回収されました。

金属リチウムには固有の不安定性があり、充電プロセス中に特に顕著であるため、研究者は非金属溶液中のリチウムイオンの研究に焦点を移しました。リチウムイオン電池はリチウム金属よりも比エネルギーが低くなりますが、電池メーカーや電池パックが安全規制に準拠し、安全な電圧と電流を維持している限り、リチウムイオン電池の安全性は保証されます。 。 1991年にソニーが最初のリチウムイオン電池を商品化して以来、リチウムイオン電池は最も有望で急成長している市場となっています。しかし同時に、研究者たちは依然として安全な金属リチウム電池の開発をあきらめませんでした。

正極材料としてのコバルト酸リチウムの発見は、John Goodenough（1992）によるものです。ジョン・グッドイナフは、NTTジャパンの卒業生と一緒に働いたと言われています。ジョン・グッドイナフがリチウムイオン電池を発明した直後、学生はその発明を日本に持ち帰りました。 1991年、ソニーはコバルト酸リチウムカソード材料の国際特許を取得したと発表しました。何年も経った後、訴訟が続いたが、ソニーはまだ特許を保持することができ、ジョン・グッドイナフには何もなかった。

リチウムイオン電池システムの引火点

リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池の2倍の比エネルギーを持ち、ニッケルシステムの1.20Vよりも高い理論電圧（3.60V）を持っています。前者は、理論的な比エネルギーの増加にとってより有益です。同時に、電極活物質の改善は、エネルギー密度を高める可能性が高くなります。リチウムイオン電池の負荷性能は非常に良好です。理想的なシングルセルは、3.7〜2.8Vの電圧範囲で平坦な放電曲線を持ち、優れたエネルギー予備性能を示します。ただし、ニッケルベースの単一バッテリーは、1.25Vから1.0Vまでの狭いフラット放電範囲しかありません。

1994年、18650モデル[2]には、容量がわずか1100 MAHの円筒形リチウムイオン電池があり、価格は10ドルを超えていました。 2001年までに、コストは2ドルに削減され、容量は1900MAHに増加しました。今日、高エネルギー密度の18650円筒形バッテリーは、3000 MAH以上の容量を提供し、より安価です。コストの削減、比エネルギーの増加、有害物質の不在により、携帯機器へのリチウムイオン電池の適用が一般的に認識され、初期の消費財市場から電気自動車の電力システムを含む重工業に徐々に移行しました。

2009年には、バッテリー収益の約38％がリチウムイオンバッテリーによるものでした。リチウムイオン電池はメンテナンスが簡単で、他の多くの化学電池に匹敵しません。リチウムイオン電池はメモリー効果がなく、性能を維持するために完全な充電と放電を必要とせず、自己放電率はニッケルベースの電池の半分以下であるため、リチウム電池は燃料ゲージでよく使用されます。また、リチウムイオン電池の定格電圧は3.60Vで、電池パック設計により携帯電話やデジタルカメラの電池として直接使用できるため、工程が簡素化され、コストが削減されます。ただし、欠点は、回路を漏れから保護し、高価格を回避する必要があることです。

材料の観点からのリチウムイオン電池の分類

鉛ベースおよびニッケルベースの電池と同様に、リチウムイオンは正極（カソード）、負極（アノード）、および電解質を導体として使用します。正極は金属酸化物で、負極は多孔質黒鉛で構成されています。放電中、リチウムイオンは電解質とセパレーターを通って負極から正極に移動します。充電中、リチウムイオンは、図３に示すように、正極から負極に反対方向に流れる。

バッテリーが充電および放電されると、Li +は正極と負極の間を往復します。放電中、アノードは酸化して電子を失い、カソードは還元されて電子を獲得します。充電すると、充電は反対方向に移動します。

リチウムイオン電池には、電極の材質によってさまざまな種類があります。ただし、異なる材料を選択すると、バッテリーの性能は大きく異なります。

正極材料はすべてLi +を含んでいます。一般的なコバルト酸リチウム（リチウムコバルト酸化物）、リチウムマンガン酸化物（スピネルまたはリチウムマンガン酸塩とも呼ばれます）、リン酸鉄リチウム、ニッケルコバルトマンガン三元材料（NMC）[3]、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（NCA）。これらの材料はすべて、理論上のエネルギー上限があります（リチウムイオンの理論容量は約2000 kWhで、市販のリチウムイオン電池の比エネルギーの10倍以上です）。

ソニー独自のリチウムイオン電池は、負極材料としてコークス（石炭製品）を使用しています。 1997年以来、ソニーを含むほとんどのリチウムイオン電池メーカーは、アノード材料をグラファイトに変換しており、その結果、放電曲線は平坦になっています。グラファイトは、鉛筆に使用される炭素の一種です。充電時にリチウムイオンを十分に蓄えることができ、サイクルが長く安定性に優れています。炭素材料の中で、グラファイトが最も一般的であり、ハードカーボンとソフトカーボンがそれに続きます。カーボンナノチューブなどの他の炭素は、まだ商業的に使用されていません。図2は、負極としてグラファイトを使用した最新のリチウムイオン電池と、初期のコークス負極を使用したリチウムイオン電池の電圧放電曲線を比較しています。

通常の動作放電範囲では、バッテリーの電圧曲線は平坦である必要があります。これは、以前のコークスよりも優れています。

アノード材料も進化しており、研究者はシリコンベースの合金を含む新しい材料を絶えず実験しています。この合金では、6つの炭素原子が1つのリチウムイオンに結合し、1つのシリコン原子が4つのリチウムイオンに結合できます。これは、シリコン負極が理論的にはグラファイト材料の10倍のエネルギーを蓄えることができることを意味します。現在、シリコン材料は、負荷の可能性とサイクル寿命を低下させるという犠牲を払って、比容量が20％〜30％増加しています。ただし、問題は、充電プロセス中に、リチウムイオンがシリコンベースの材料に埋め込まれた後、体積が容易に膨張することです（初期体積の4倍以上に膨張します）。

ナノ構造のチタン酸リチウム塩は、サイクル寿命と耐荷重性に優れ、低温性能に優れ、負極材料としての安全性に優れていますが、比容量が低く、コストが高くなります。

バッテリーの性能における異なるメーカー間のトレードオフ

ポジティブおよびネガティブ材料に関するさまざまな研究により、メーカーはバッテリーの固有の性能を検討することができますが、1つの指標の強化は、多くの場合、別の性能の犠牲を犠牲にします。いわゆる「エネルギー貯蔵電池」では、電池メーカーは長期使用のために比容量を増やす傾向がありますが、そうすると比電力とサイクル寿命が短くなる可能性があります。 「パワーバッテリー」では、高出力を実現するために一定の容量を犠牲にする場合があります。 「ハイブリッドバッテリー」の上記の特性は、比較的バランスが取れています。 「長寿バッテリー」は、長期使用のために開発されました。これらの特殊なバッテリーは、一般的にかさばり、高価です。

メーカーは、ニッケルをニッケルに置き換えると、高い比容量と低コストのリチウムイオン電池を簡単に入手できますが、これにより電池の安定性が低下します。新たに設立された企業の中には、市場での認知度を高めるためにバッテリーの比容量に注意を払う企業もありますが、安全性と安定性は無視できません。評判の良い企業は、安全性と長期的な効率を非常に重要な場所に置きます。

既存の資料の改善には長い道のりがあります

リチウムイオン電池産業は主に携帯用電子製品に使用されており、その電力システムの長期安定性はまだ不明です。サイクル寿命、長期的なパフォーマンス、および運用コストは、電気自動車が数回更新され、顧客に受け入れられた後にのみわかります。下の図3は、リチウムイオン電池の利点と制限をまとめたものです。

まとめると、これら2つの課題は今日特に深刻であり、バッテリーの性能を向上させ、より優れた化合物を見つけることができます。ボトルネックを克服することで、バッテリーはほぼ無料の化石燃料よりも決定的になります。メディアはバッテリーの大きな進歩について広範な報道を行っていますが、勝利を称賛する記事を書く時ではありません。特定の開発が確認され承認されたとしても、市場に参入して真に一般の人々の家に「飛び込む」には数年かかります。

注釈：

[1]ダイオード、真空管、充電式電池などでエネルギーが消費される場合、アノード材料は正極材料です。逆に、電池の放電工程などで放電する場合、陽極材料は負極材料である。

[2]円筒形リチウムイオン電池は1990年代半ばに開発されました。直径18mm、長さ65mmと測定されており、主にノートブックコンピュータで使用されています。

[3]一部のニッケルマンガンマンガンコバルトバッテリーシステムは、NCM、CMN、CNM、MNC、およびMCNとして記述されています。これらのシステムは基本的に同じです。

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