バッテリーの電解液にはどんな種類があるの？

すべてのバッテリーには電荷を保持するためのアノードとカソードがありますが、電解質がなければ、これら 2 つが一方から他方への電子の流れを促進することはできません。したがって、電解質は化学反応の過程でバッテリーの機能に重要な役割を果たします。バッテリー技術は進化しているため、電解質技術の進歩など、複数の革新的な変更が加えられています。

現在、さまざまな特性と用途を備えた複数の種類の電解質があります。したがって、ユーザーは適切なタイプの電解液を使用することでさまざまな利点を得ることができます。この記事では、さまざまな種類のバッテリー電解液について説明します。

従来のバッテリー電解液の分類

伝統的な観点から、電解質はその物理的形状に応じて 2 つの主なカテゴリに分類されてきました。これらは、独自の利点と用途を備えた水性および非水性電解質です。そこで、これら 2 つのクラスの電解質の概要を以下に示します。

水性電解質

酸、塩基、または塩からのイオンが溶解した水ベースの溶液は、水性電解質を構成します。最も典型的な例は、ニッケルカドミウム電池の水酸化カリウムと鉛蓄電池の硫酸です。これらのバッテリーの最大の用途の 1 つは、エンジンの始動に役立つ高サージ電流を供給する自動車スターター バッテリーです。

他の用途にはポータブル電子機器が含まれ、これらのバッテリーは、長期間中断のない電力を供給する非常用電源システムにも役立ちます。水性電解質は他の電解質と比べて費用対効果が高くなります。これらはより安全であり、毒性レベルが低いため環境への影響も少なくなります。

非水電解液

リチウム塩は、非水電解質を作成するために、エチレンカーボネートやジメチルカーボネートなどの有機溶媒に溶解されることがよくあります。これらの電解質は、リチウムイオンまたはリチウムポリマー電池によく含まれる電解質です。これらの電解質は、高いエネルギー密度と長い寿命を実現するのに適しています。さらに、これらはより広い温度範囲でも良好な性能を維持できます。

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このような利点があるため、これらの電解質はスマートフォン、ラップトップ、その他の機器のバッテリーのリチウム電池技術とともに一般的に使用されています。エネルギー密度が高く寿命が長いため、電気自動車のバッテリーとして最適です。エネルギー密度が高いため、非水電解質は航空宇宙および防衛用途に最適です。これらのアプリケーションには、重要な温度範囲とエネルギー密度の要件が含まれます。

固体電解質の分類

3 種類の電解質のうちの 1 つが固体電解質です。これは、他のタイプの電解質と比較して、その安定性、信頼性、安全性の特徴により、急速に普及しているかなり新しいタイプです。固体電解質の種類には、さらに有機固体電解質、無機固体電解質、複合固体電解質の3種類に分類されます。

有機固体電解質

有機固体電解質の製造には、イオン伝導特性を持つ有機ポリマーが一般的に使用されます。ポリエチレンオキシド (PEO) とその誘導体がその例です。これらの電解質は柔軟性があるため、ウェアラブル電子機器に適しています。

同様に、信頼性の高い電源を必要とする医療機器には、有機固体電解質で作られたバッテリーを使用できます。別の用途には、これらの電解質によって提供される安全性のため、ポータブル電子機器が含まれます。

無機固体電解質

無機固体電解質は、多くの場合、ガーネットベースの構造や酸窒化リチウムリン (LiPON) などのセラミックまたはガラス材料で作られています。無機固体電解質は、その熱安定性、寿命、容量、信頼性、安全性の向上により、グリッドエネルギー貯蔵ユニット、電気自動車、航空宇宙用途に使用されています。

複合固体電解質

複合固体電解質は、有機成分と無機成分を混合して、それぞれの利点を組み合わせます。複合固体電解質は、ハイエンド家電やハイブリッド電気自動車に使用されています。さらに、複合電解質によってもたらされる高いエネルギー密度と安全性により、産業用電力用途での電池の有効な使用が可能になります。

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これらすべての固体電解質の分類に共通するのは、これらが提供する信頼性と安全性です。ただし、すべての分類にはいくつかの違いと制限があり、その使用例が異なります。

ゲル電解質の分類

ゲル電解質は、液体電解質と固体電解質の両極端の間の中間点を提供し、さまざまな用途にとって価値のあるバランスの取れた範囲の特性を提供します。これらのゲルベースの電解質は、その独特の品質と利点により、多くの用途に使用されています。ゲル電解質は主に 2 つのカテゴリに分類されます。

高分子ゲル電解質

ポリエチレンオキシド (PEO)、ポリアクリロニトリル (PAN)、またはポリ塩化ビニル (PVC) などの有機ポリマーを液体電解質と組み合わせて、ゲルの粘稠度を持つポリマーゲル電解質を作成します。液体成分はイオン伝導を助け、ポリマーは機械的安定性を与えます。

これらは機械的な柔軟性を提供するため、ウェアラブル技術のバッテリーに適しています。ポリマーゲル電解質はその一貫性により漏れがなく、適度なエネルギー密度ももたらすため、多用途の用途で使用されるバッテリーに最適です。

この電解液を使用したバッテリーの用途には、ラップトップやスマートフォンなどの家電製品が含まれます。これらは、小型電気自動車や太陽光発電システムにも使用されています。

無機ゲル電解質

シリカゲル、ジルコニア、五酸化リンなどの無機物質を溶媒と組み合わせて、無機ゲル状の電解質を形成します。無機要素は構造の剛性に寄与します。無機ゲル電解質は、特定の用途に最適ないくつかの有益な特性を備えています。

まず、有機同等物よりも熱安定性が高く、さまざまな温度変化に対する耐性が高くなります。第 2 に、これらの電解質は通常化学的に不活性であるか、バッテリーの他の部分とすぐに反応しないため、バッテリーの寿命が長くなります。

第三に、ゲルに似た実質的に固体の構造を持ちながら、特に高温にさらされた場合に優れたイオン伝導性を示します。したがって、この電解液を含むバッテリーは、住宅、商業、産業レベルの電源バックアップ システムに適しています。

結論

電解液は電池の正極と負極の間のイオンの流れの経路として機能するため、電池は電解液なしでは機能しません。バッテリーは大きく進化したため、現在ではさまざまな種類の電解質がバッテリーに使用されています。バッテリー技術の最大容量を活用するには、適切な種類の電解液を使用することが不可欠です。

したがって、産業用アプリケーションであれ、個人用アプリケーションであれ、電解質の種類とバッテリー技術を理解することは、作業をより効率的に行うのに役立ちます。これは、ユースケースに合わせて新しいタイプの電解質を扱うときに役立ちます。