リチウム電池の概要 | BSLBATT 再生可能エネルギー

BSLBATT Engineered Technologies は、経験豊富なエンジニアリング、設計、品質、製造チームを活用し、お客様が特定のアプリケーションの固有の要件を満たす技術的に高度なバッテリー ソリューションを確実に提供できるようにします。当社は、充電式および非充電式のリチウム電池およびバッテリー パックの設計を専門とし、さまざまなリチウム電池の化学的性質を利用して、世界中の要求の厳しい用途にオプションとソリューションを提供しています。

リチウム電池パック テクノロジー

当社の幅広い製造能力により、最も基本的なバッテリー パックから、特殊な回路、コネクタ、ハウジングを備えたカスタム パックまでを構築できます。当社は、少量から大量まで、すべての OEM の固有のニーズを満たす能力と業界の専門知識を備えており、当社の経験豊富なエンジニアリング チームは、ほとんどのアプリケーションの特定のニーズに合わせたカスタム バッテリー ソリューションを設計、開発、テスト、製造できます。

BSLBATT は、顧客の要件と仕様に基づいたターンキー ソリューションを提供します。当社は業界をリードするセルメーカーと提携して最適なソリューションを提供し、最も洗練された制御および監視電子機器を開発してバッテリーパックに統合しています。

リチウムイオン電池はどのように機能するのでしょうか?

リチウムイオン電池は、リチウムイオンの強力な還元電位を利用して、すべての電池技術の中心となる酸化還元反応、つまりカソードでの還元、アノードでの酸化を促進します。電池のプラス端子とマイナス端子を回路を介して接続すると、酸化還元反応の両半分が統合され、回路に接続されたデバイスが電子の動きからエネルギーを抽出できるようになります。

現在、業界ではさまざまな種類のリチウムベースの化学物質が使用されていますが、ここではリチウム コバルト酸化物 (LiCoO2) を使用します。これは、消費者向けに標準的であったニッケル カドミウム電池をリチウム イオン電池に置き換えることを可能にした化学物質です。 90 年代までのエレクトロニクス — この人気のあるテクノロジーの背後にある基本的な化学を実証するために。

LiCoO2 カソードとグラファイト アノードの完全な反応は次のとおりです。

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

ここで、順反応は充電を表し、逆反応は放電を表します。これは次の半反応に分類できます。

正極では、放電中にカソードでの還元が発生します (逆反応を参照)。

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

負極では、放電中にアノードでの酸化が発生します（逆反応を参照）。

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

放電中、リチウムイオン (Li+) は、負極 (グラファイト) から電解質 (溶液中に懸濁したリチウム塩) およびセパレーターを通って正極 (LiCoO2) に移動します。同時に、電子はアノード (グラファイト) から外部回路を介して接続されたカソード (LiCoO2) に移動します。外部電源を印加すると、それぞれの電極の役割に応じて反応が逆転し、電池が充電されます。

リチウムイオン電池の中身は何ですか

一般的な円筒形の 18650 セルは、ラップトップから電気自動車に至る商用アプリケーションで業界で使用されている一般的なフォームファクタで、OCV (開路電圧) は 3.7 ボルトです。メーカーによっては、3000mAh 以上の容量で約 20 アンペアを供給できます。バッテリーパックは複数のセルで構成され、通常、過熱、火災、爆発につながる可能性のある最小容量を下回る過充電や放電を防ぐための保護マイクロチップが組み込まれています。細胞の内部を詳しく見てみましょう。

正極/正極

正極を設計する鍵は、純粋なリチウム金属と比較して 2.25 V を超える電位を持つ材料を選択することです。リチウムイオンの正極材料は大きく異なりますが、一般に、以前に検討した LiCoO2 正極設計のように、層状のリチウム遷移金属酸化物が含まれています。他の材料には、スピネル (すなわち、LiMn2O4) およびオリビン (すなわち、LiFePO4) が含まれます。

負極・負極

理想的なリチウム電池では、純粋なリチウム金属をアノードとして使用します。これは、電池に可能な低分子量と高い比容量の最適な組み合わせを提供するためです。商用用途でリチウムをアノードとして使用することを妨げる主な問題は 2 つあります。それは、安全性と可逆性です。リチウムは反応性が高く、火工品のような壊滅的な故障モードを起こしやすいです。また、充電中、リチウムはメッキではなく元の均一な金属状態に戻り、デンドライトとして知られる針状の形態をとります。樹枝状結晶の形成によりセパレータに穴が開き、ショートが発生する可能性があります。

リチウム金属の短所をすべて排除し、長所を活かすために研究者らが考案した解決策は、リチウムインターカレーションでした。これは、ある電極から別の電極へのリチウムイオンの移動を容易にするために、カーボングラファイトまたはその他の材料内にリチウムイオンを層状にするプロセスです。他のメカニズムには、可逆反応をより可能にするリチウムを含むアノード材料の使用が含まれます。典型的なアノード材料には、グラファイト、シリコンベースの合金、スズ、チタンなどがあります。

セパレータ

セパレータの役割は、負極と正極の間に電気絶縁層を提供すると同時に、充電および放電中にイオンがセパレータを通過できるようにすることです。また、電池内の電解質や他の化学種による劣化に対して化学的耐性があり、磨耗に耐えるのに十分な機械的強度を備えていなければなりません。一般的なリチウムイオンセパレーターは通常、本質的に多孔質であり、ポリエチレン (PE) またはポリプロピレン (PP) シートで構成されています。

電解質

リチウムイオン電池における電解質の役割は、充電および放電サイクル中にリチウムイオンがカソードとアノードの間を自由に流れることができる媒体を提供することです。アイデアは、優れた Li+ 導体と電子絶縁体の両方である媒体を選択することです。電解質は熱的に安定しており、セル内の他のコンポーネントと化学的に適合する必要があります。一般に、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸ジメチルなどの有機溶媒に懸濁した LiClO4、LiBF4、または LiPF6 などのリチウム塩が、従来のリチウムイオン設計の電解質として機能します。

固体電解質中間相 (SEI)

リチウムイオン電池について理解する必要がある重要な設計概念は、固体電解質界面 (SEI) です。これは、Li+ イオンが電解質の分解生成物と反応する際に、電極と電解質の間の界面に蓄積する不動態膜です。フィルムは、セルの初期充電中に負極上に形成されます。 SEI は、その後のセルの充電中に電解液がさらに分解されるのを防ぎます。この不動態化層が失われると、サイクル寿命、電気的性能、容量、およびセルの全体的な寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。逆に、メーカーは SEI を微調整することでバッテリーの性能を向上できることを発見しました。

リチウムイオン電池ファミリーのご紹介

電池用途の理想的な電極材料としてのリチウムの魅力により、さまざまな種類のリチウムイオン電池が開発されてきました。ここでは、市場で最も一般的な市販のバッテリーを 5 つ紹介します。

コバルト酸化リチウム

LiCoO2 電池は、携帯電話、ラップトップ、電子カメラなどのポータブル電子機器にとって最も一般的な化学物質であるため、この記事で既に詳しく説明しました。 LiCoO2 の成功は、その高い比エネルギーによるものです。寿命が短く、熱安定性が低く、コバルトの価格が高いため、メーカーは混合カソード設計に切り替える必要があります。

マンガン酸化リチウム

リチウムマンガン酸化物電池 (LiMn2O4) は、MnO2 ベースの正極を使用します。標準の LiCoO2 バッテリーと比較して、LiMn2O4 バッテリーは毒性が低く、コストが低く、安全に使用できますが、容量は低下します。再充電可能な設計は過去にも検討されてきましたが、今日の産業界では通常、再充電不可能で使用後に廃棄されることを目的とした一次（シングルサイクル）電池にこの化学反応が使用されています。耐久性があり、熱安定性が高く、保存寿命が長いため、電動工具や医療機器に最適です。

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物

場合によっては、全体が部分の合計より大きくなり、リチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物電池 (NCM 電池としても知られる) は、LiCoO2 よりも優れた電気的性能を誇ります。 NCM は、個々の正極材料の長所と短所のバランスをとることで強みを発揮します。市場で最も成功したリチウムイオン システムの 1 つである NCM は、電動工具や電動自転車などのパワートレインに広く使用されています。

リン酸鉄リチウム

リン酸鉄リチウム (LiFePO4) バッテリーは、ナノ構造のリン酸塩正極材料の助けにより、良好な熱安定性を備えた長いサイクル寿命と高電流定格を実現します。これらの改良にもかかわらず、コバルト配合技術ほどエネルギー密度は低く、このリストにある他の電池の中で最も高い自己放電率を持っています。 LiFePO4 バッテリーは、自動車のスターターバッテリーとして鉛酸の代替品として人気があります。

チタン酸リチウム

グラファイトアノードをチタン酸リチウムナノ結晶に置き換えると、アノードの表面積が1グラムあたり約100平方メートルに大幅に増加します。ナノ構造のアノードにより、回路を流れる電子の数が増加し、チタン酸リチウム電池は 10C (定格容量の 10 倍) を超える速度で安全に充電および放電できるようになります。リチウムイオン電池の充放電サイクルを最速にするためのトレードオフは、電圧がセルあたり 2.4V と比較的低く、チタン酸リチウムセルはリチウム電池のエネルギー密度スペクトルの下限にありますが、それでもニッケルなどの代替化学物質よりも高いことです。カドミウム。このような欠点にもかかわらず、全体的な電気的性能、高い信頼性、熱安定性、非常に長いサイクル寿命により、バッテリーは依然として電気自動車で使用されています。

リチウムイオン電池の未来

世界中の企業や政府から、クリーン エネルギーと二酸化炭素排出量の削減に対する需要の高まりに応えるために、リチウムイオンやその他のバッテリー技術のさらなる研究開発を推進する大きな動きがあります。太陽光や風力などの本質的に断続的なエネルギー源は、リチウムイオンの高いエネルギー密度と長いサイクル寿命から大きな恩恵を受ける可能性があり、この技術はすでにこの技術が電気自動車市場を追い詰めるのに役立っています。

この需要の高まりに応えるために、研究者たちはすでに、新しいエキサイティングな方法で既存のリチウムイオンの限界を押し広げ始めています。リチウムポリマー (Li-Po) 電池は、危険な液体リチウム塩ベースの電解質をより安全なポリマーゲルと半湿式電池設計に置き換え、安全性と軽量化を向上させながら同等の電気性能を実現します。固体リチウムは最新技術であり、固体電解質の安定性によりエネルギー密度、安全性、サイクル寿命、全体的な寿命の向上が期待できます。究極のエネルギー貯蔵ソリューションの競争にどの技術が勝つかを予測するのは難しいですが、リチウムイオンが今後数年間、エネルギー経済において重要な役割を果たし続けることは間違いありません。

エネルギー貯蔵ソリューションプロバイダー

当社は、精密エンジニアリングと広範なアプリケーションの専門知識を組み合わせて最先端の製品を製造し、お客様がエネルギー貯蔵ソリューションを製品に統合できるよう支援します。 BSLBATT Engineered Technologies は、アプリケーションの構想から商品化までを実現する実証済みのテクノロジーと統合の専門知識を備えています。

詳細については、次のブログ投稿を参照してください。 リチウム電池の保管場所 。