リチウムイオン電池技術-改善と企業

ジョン・グッドイナフは1980年にリチウムイオン電池を発明し、ソニーは1991年にそれらを商品化しました。リチウムイオン電池は、過去10年間で、ほぼすべての業界で主要な充電式電池の化学的性質になりました。多くの点で、リチウムイオンは以前の一般的な化学物質（鉛酸、ニッケルカドミウム、およびアルカリ）よりも優れています。

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技術の進歩に伴い、安全で強力なバッテリーの需要が高まっています。リチウムは、使用されている中で最もエネルギー密度の高い化学物質であり、追加機能を備えた最も安全なものにすることもできます。リチウムエネルギーは研究のホットトピックであるため、新しい化学物質が毎年出現しています。

リチウムイオン電池技術の改善

リチウムイオン電池はマイクロエレクトロニクス革命を支援し、現在、携帯型電子機器に推奨される電源となっています。ポータブルエレクトロニクス市場での成功は、他の充電式システムよりも高い重量分析および体積エネルギー密度を提供するという事実によるものです。

●セルの電圧を上げる

動作電圧、電荷蓄積容量、またはその両方を増加させることによってリチウムイオン電池のエネルギー密度を増加させたいという願望は、多くの関心を呼び起こしました。現在のアノード動作電圧はすでにLi/Li +の動作電圧に近いため、セル電圧を上げる唯一の方法は、カソードの動作電圧を上げることです。

3つのカソード構造は、現在使用されている4.3 V vs Li / Li +よりも高い動作電圧の組成を提供しますが、4.3 Vを超える動作電圧のカソード表面は、有機溶媒EC、DEC、DMCなどと接触すると不安定になります。電解質で使用されます。

●充電容量の増加-ストレージ

現在、カソードの動作電圧を上げるための実用的な解決策がないため、アノードとカソードの両方の電荷蓄積容量を増やすことに大きな重点が置かれています。最近、挿入反応ではなくリチウムとの変換反応を起こすアノードとカソードがこの分野で大きな注目を集めています。

リチウムの可逆的挿入/抽出に利用できる結晶学的サイトの数は挿入反応電極の容量を制限しますが、変換反応電極はこのように制限されません。それらは、最大で1桁大きい容量を持っています。

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利用可能な結晶サイトの数によって決定される限られたエネルギー密度、および深い電荷での構造的および化学的不安定性にもかかわらず、挿入反応カソードおよびアノードに基づく現在のリチウムイオン技術は、当面の間継続します。変換反応アノードとカソードは、挿入反応電極よりも最大で1桁高い容量を備えているため、多くの注目を集めていますが、実際の実行可能性には疑問があります。

最近、リチウム金属をアノードとして使用し、液体電解質を固体電解質に置き換えることに新たな関心が集まっています。これらは、より高い動作電圧と電荷蓄積容量を備えたより安全なセルを提供できるためですが、実用的かどうかは時が経てばわかります。

代替案の課題を抱える実行可能な短期戦略は、高ニッケル層状酸化物カソード、グラファイトアノードと高Niカソードの両方と互換性があり安定したSEIを形成する液体電解質、より厚い電極を製造するためのセルエンジニアリングの革新に焦点を当てることです。非アクティブなコンポーネントを減らし、新しいシステム統合により、より安全で長寿命で手頃な価格のバッテリーを実現します。

リチウムイオン電池技術企業

内燃機関車（ICE）は、かつて馬が引く車両がICE車両に置き換えられたように、電気自動車（EV）に置き換えられています。この電力への移行には、次世代電池技術とリチウムイオン電池の主要原料であるリチウムの豊富な供給が求められています。

電気自動車は現在、世界のリチウム需要全体の24％を占めています。この数も増えると予想されます。残りの21％は、電子機器、エネルギー貯蔵、その他のガジェットが占めます。リチウム電池は、電気通信、エネルギー貯蔵、政府のプロジェクト、およびおもちゃでますます使用されています。

テスラは、電気自動車やエネルギー貯蔵システムでのリチウム電池の使用における世界的リーダーです。テスラは世界最大のリチウム消費者の1つであり、電気自動車の生産拡大に使用されています。パナソニックは、日本からの世界的なEVバッテリーメーカーのトップ3であり、リチウムバッテリー技術のもう1つの主要なプレーヤーは、テスラの長年のパートナーです。テレコムセクターでは、サムスン、パナソニック、LGもグローバルリーダーです。

リライアンス、マヒンドラ、オラは、インドのリチウム電池需要を満たすために、インドにリチウム電池製造工場を建設することを計画している企業の一部です。

リチウムイオン電池は、リライアンスの通信塔に電力を供給します。アンブリとリライアンスは、インドに電池製造ギガファクトリーを建設するために交渉中です。 Ambriは、米国を拠点とする液体金属電池会社です。オラは2022年半ばまでに、世界のeスクーターの15％を生産すると見込んでいます。インドでは、Adani、Suzuki、Mahindra、JSW、Heroがすべて数十億ドル規模のバッテリー工場を計画しています。

リチウムイオン電池の化学

バッテリーに電力を供給する反応は、リチウムイオン（Li +）を使用します。リチウムイオン電池では、両方の電極がリチウムイオンを挿入または「吸収」できる材料でできています。元素の荷電イオンが、重大な破壊を引き起こすことなくホスト材料の構造内に「保持」できる場合、これはインターカレーションとして知られています。リチウムイオンは、リチウムイオン電池のアノードの構造内で電子に「結合」されます。挿入されたリチウムイオンはアノードから放出され、電解液を通って移動し、バッテリーが放電するとカソードに吸収されます。

バッテリーが充電されると、カソードは酸化反応を起こし、その結果、特定の負に帯電した電子が失われます。同数の正に帯電した挿入リチウムイオンが電解液に分解され、カソードの電荷バランスが維持されます。

酸化還元（レドックス）反応は、リチウムイオン電池の内部で発生します。

カソードでは、還元が起こります。リチウムコバルト酸化物は、コバルト酸化物がリチウムイオン（LiCoO2）と反応するときに形成されます。半反応式は次のとおりです。

CoO2 + Li ++e-→LiCoO2

アノードは酸化が起こる場所です。グラファイト（C6）とリチウムイオンは、グラファイトインターカレーション化合物LiC6によって形成されます。半反応式は次のとおりです。

LiC6→C6+Li + + e-

完全な反応（左から右へ=放電、右から左へ=充電）は次のとおりです。

LiC6 + CoO2？ C6 + LiCoO2

リチウムイオン電池は、ポータブルエレクトロニクス市場を支配し、電気自動車市場に参入しており、グリッドエネルギー貯蔵のユーティリティ市場に参入する準備ができています。