リチウムイオン電池の概要

一、リチウムイオン電池の動作原理

リチウム電池の具体的な動作原理を下の図 1-1 に示します。 写真のバッテリーは正極材として層状酸化物を使用しており、負極材はグラファイトです。 リチウム電池の充電プロセス中に、リチウムイオンが正極から負極に移動し、LiC6 の化学構造を形成します。 同時に、電子はデバイスの外部回路を通過して、回路内の電荷バランスを確保します。 放電時には、上記のプロセスとは逆の反応が起こります。 サイクルプロセスにおけるリチウムイオンのサイクルを客観的に説明できるようにするために、人々はリチウム電池を「ロッキングチェア電池」とも呼んでいます。 市販の電池を例にとると、電池の化学式は (-)C|1mol L-iLiPF6-EC+DECILiCoO2(+)

バッテリー反応の式は次のとおりです。

陽性反応：LiCoO2-Lil-xCoO2+xLi++xe.

負極反応：xLi++xe+6C-LiCo

全反応: LiCoO2+6C+Lil-xCoO2+LixC

二. リチウムイオン電池の構成要素

リチウムイオン電池は、主に正極と負極、電解液、ケーシング、ダイヤフラムで構成されています。

1. 電解液

電解質溶液の役割は、リチウム電池の重要な構成要素である電子移動プロセスにおける移動媒体であり、電池の性能に非常に明白な影響を与えます。 リチウム電池の作業過程での電圧範囲は約3~4ボルトで、水を電解質として使用するシステムでは、一般的に言えば、水の分解電圧はわずか2ボルトであり、リチウムイオン電池の作業要件を満たすことができません。 、および金属リチウムは水と激しく反応する可能性があります。 したがって、バッテリーの場合、使用される電解質は通常、非水電解質です。 電解質系全体において、非水溶媒へのリチウム塩の溶解度は高くなく、有機溶媒として使用することはできません。 LiclO4、LiSbF など、一部の陰イオン半径が大きい場合。 待って。 これらのリチウム塩の陰イオン分散は、より分散されており、有機溶媒により迅速に溶解することができます。 さらに、フッ素は、CFsSOsLi などの一部の有機陰イオン リチウム塩を置き換えることができます.この物質の陰イオンは非常に分散しており、有機溶媒に溶解することができます。 したがって、新世代の導電性塩リチウム イオン バッテリーとして、学者によって研究されています。

2.ダイヤフラム

電池構成の重要な部分であるセパレータには、次の特性要件があります [18]。 (1) セパレータは化学的安定性が高い。 現在、ほとんどの電解質は非水電解質であるため、ダイヤフラムには、耐腐食性と化学的安定性に優れた材料を選択する必要があります (2) ダイヤフラムは非常に薄いです。 有機電解液は、電池の容量を大きくする必要があるため、電池全体の中でセパレータが占めるスペースが非常に小さく、(3)セパレータの強度が比較的大きい。 ダイヤフラムを薄くした後、電池パックの取り付け中の短絡を回避するために、ダイヤフラムの強度は比較的大きくする必要があります; (4) ダイヤフラムは多孔質の細孔構造を持っています。 電解液を供給するためには、空間とイオンの通り道を確保する必要があるため、セパレータは多孔質である必要があります; (5) セパレータは電流を遮断する特性を持っています。 上記の要求を満たすセパレーターには高気孔率が求められるため、現在ではポリオレフィンがセパレーターの素材として一般的に使用されています。 同時に、それらのほとんどは複合ダイアフラム材料として PP/PE を使用します.この PE 材料の融点は高くありません.バッテリーが高温の状態にある場合、閉じた気孔が現れ、電流がカットされます.オフ。 さらに、PP は融点が高く、比較的高温でも優れた機械的特性を備えているため、通常の使用ではリチウムイオン電池が危険に見えません。

3. 負極材料

陽極材部分は、主に炭素材料と非炭素材料の2種類に分けられます。 それらのほとんどは、人造黒鉛や熱分解炭素などの炭素材料を使用しています。 リチウムイオン二次電池の場合、アノード材料は慎重に選別する必要があります。 負極材料には次の要件があります [19]。 リチウム イオンのインターカレーションと抽出の反応プロセス中に、負極材料は構造が十分に安定していることを保証できる必要があり、電池の負極はリチウムイオンのインターカレーション反応に利用できる可逆構造を有し、熱力学的構造が安定しており、電解液との副反応が起こらず、電子伝導性に優れた負極材料である必要があります。 炭素繊維アノード材料には、グラファイトと非グラファイトの 2 種類があります。 黒鉛材料は主に人造黒鉛（グラファイト繊維など）と天然黒鉛（フレークグラファイトなど）を含み、非黒鉛材料は主にソフトカーボン（カーボンファイバーなど）とハードカーボン（カーボンブラックなど）などを含む[20]材料。 非炭素アノード材料には、主にナノ材料、酸化スズ、および硫化物があります。

4. リチウムイオン電池正極材

リチウム電池にとって、正極材料は非常に重要な構成要素です.正極材料はリチウムイオンを生成することができるため、リチウムを貯蔵し、正極と負極が分離/インターカレートするための条件を提供できる位置を持たなければなりません.同時に電極表面でSEIを発生させます。膜はリチウムイオンの付着に使用されるため、正極材料はリチウム電池全体の構造において非常に重要な役割を果たします。 現在使用されているグラファイト負極材料の理論容量は約 340mAh-g1 であるのに対し、正極の容量は半分にすぎないため、正極材料の容量がリチウム電池の開発を大きく制限してきました。 さらに、米国のアルゴンヌ研究所による最近の研究では、電極材料が電池製造コストの多くを要し、合計で 44% かかることがわかりました.さらに、正極材料は、耐用年数と性能に大きな影響を与えます. だいたい。 その中で、正極材料は全体のコストの約 30% のコストがかかり、負極材料はコストの 14% しか占めません。

三. リチウム電池の応用

リチウムイオン電池は、エネルギー密度の高い新エネルギー材料であり、開発の可能性を秘めた化学電源であり、日常生活に利用されています。 電気自動車産業では、リチウム イオン電池が広く使用されています; リチウム電池は、航空宇宙機器の電源供給にも広く使用されています; 軍事技術の応用において、リチウム電池は武器を実現することができます。潜水艦のバックアップ電源として使用; 臨床医学では、リチウム電池を心臓ペースメーカーのエネルギー源として使用して、電池交換による身体的不快感を避けることができ、患者にとってより便利で安全です; さらに、リチウム電池はマイコンシステムで広く使用されています。