リチウムイオン電池
リチウムイオン電池は、リチウムイオンを含む充電式電池です。 携帯電話から車まで、あらゆるものに使われています。 しかし、それらはどのように機能しますか？
リチウムイオン電池は、インターカレーション プロセスを使用してエネルギーを蓄えます。 このプロセスには、電池内の正極と負極の間を移動するリチウム イオンが含まれます。 いつ 充電、イオンはアノードからカソードに移動し、放電するときは反対方向に移動します。
しかし、それは簡単な概要にすぎません。 すべてを詳しく見てみましょう。
この投稿では、以下について説明します。
リチウムイオン電池とは？
最近はどこにでもリチウムイオン電池が！ 彼らは私たちの電話に電力を供給し、 ノートパソコン、電気自動車など。 しかし、それらは正確には何ですか？ 詳しく見てみましょう！
基礎
リチウムイオン電池は、XNUMX つまたは複数のセル、保護回路基板、およびその他のいくつかのコンポーネントで構成されています。
- 電極: セルの正および負に帯電した端。 集電体に取り付けます。
- 陽極: 陰極。
- 電解質: 電気を通す液体またはゲル。
- 集電体: セルの端子に接続されているバッテリーの各電極の導電箔。 これらの端子は、バッテリー、デバイス、およびバッテリーに電力を供給するエネルギー源の間で電流を伝送します。
- Separator: 電極を分離しながら一方の面から他方の面へのリチウムイオンの交換を可能にする多孔性高分子フィルム。
仕組み
リチウム イオン電池を搭載したデバイスを使用している場合、リチウム イオンは電池内の陽極と陰極の間を移動しています。 同時に、電子は外部回路を動き回っています。 このイオンと電子の動きが、デバイスに電力を供給する電流を生み出します。
バッテリーが放電しているとき、アノードはリチウム イオンをカソードに放出し、デバイスに電力を供給するのに役立つ電子の流れを生成します。 バッテリーの充電中は、逆のことが起こります。リチウム イオンがカソードから放出され、アノードで受け取られます。
どこで見つけられますか?
最近はどこにでもリチウムイオン電池が！ それらは、電話、ラップトップ、電気自動車などに見られます。 次回、お気に入りのデバイスを使用するときは、リチウム イオン バッテリーを搭載していることを忘れないでください。
リチウムイオン電池の興味深い歴史
NASAの初期の試み
60 年代には、NASA はすでに充電式リチウムイオン電池の製造を試みていました。 彼らは CuF2/Li 電池を開発しましたが、うまくいきませんでした。
M. スタンリー・ウィッティンガムのブレークスルー
1974 年、英国の化学者 M. スタンレー ウィッティンガムは、二硫化チタン (TiS2) を陰極材料として使用して画期的な成果を上げました。 これは、結晶構造を変えずにリチウムイオンを取り込める層状構造を持っていました。 エクソンはバッテリーの商品化を試みましたが、高価で複雑すぎました。 さらに、セル内に金属リチウムが存在するため、発火しやすかった.
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ゴッドシャル、水島、グッドイナフ
1980 年に、Ned A. Godshall 等。 グッドイナフは、TiS2 をリチウム コバルト酸化物 (LiCoO2、または LCO) に置き換えました。 これは同様の層状構造を持っていましたが、より高い電圧と空気中での安定性を備えていました。
ラシッド・ヤザミの発明
同年、Rachid Yazami はグラファイト中のリチウムの可逆的な電気化学的インターカレーションを実証し、リチウム グラファイト電極 (アノード) を発明しました。
可燃性の問題
可燃性の問題が続いたため、リチウム金属アノードは放棄されました。 最終的な解決策は、バッテリーの充電中にリチウム金属の形成を防ぐ、カソードに使用されるものと同様のインターカレーションアノードを使用することでした。
よしののデザイン
1987 年、吉野彰は、Goodenough の LCO カソードと炭酸エステルベースの電解質とともに「ソフト カーボン」（木炭のような材料）のアノードを使用する最初の商用リチウムイオン電池となるものの特許を取得しました。
ソニーの商品化
1991年、ソニーは世界で初めて吉野氏の設計によるリチウムイオン二次電池の製造・販売を開始した。
ノーベル賞
2012 年、John B. Goodenough、Rachid Yazami、および吉野彰は、リチウムイオン電池の開発により、2012 IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies を受賞しました。 そして2019年、グッドイナフ、ウィッティンガム、吉野が同じことでノーベル化学賞を受賞しました。
グローバル生産能力
2010 年には、リチウムイオン電池の世界的な生産能力は 20 ギガワット時でした。 2016 年までに 28 GWh に成長し、中国では 16.4 GWh になりました。 2020 年の世界の生産能力は 767 GWh で、中国が 75% を占めています。 2021 年には 200 ～ 600 GWh と推定され、2023 年の予測は 400 ～ 1,100 GWh の範囲です。
18650 リチウムイオンセルの背後にある科学
18650セルとは何ですか?
ラップトップのバッテリーや電気自動車について聞いたことがあるなら、おそらく 18650 セルについて聞いたことがあるでしょう。 このタイプのリチウムイオン電池は円筒形で、さまざまな用途に使用されています。
18650セルの中身は?
18650 セルはいくつかのコンポーネントで構成されており、それらすべてが連携してデバイスに電力を供給します。
- 負極は通常、炭素の一種であるグラファイトでできています。
- 正極は通常、金属酸化物でできています。
- 電解質は、有機溶媒中のリチウム塩です。
- セパレーターは、アノードとカソードが短絡するのを防ぎます。
- 集電体は、外部電子機器をアノードとカソードから分離する金属片です。
18650 セルは何をしますか?
18650 セルがデバイスに電力を供給します。 これは、陽極と陰極の間に化学反応を引き起こし、外部回路を流れる電子を生成することによって行われます。 電解質はこの反応を促進するのに役立ちますが、集電体は電子が短絡しないようにします。
18650細胞の未来
電池の需要はますます増加しているため、研究者は 18650 セルのエネルギー密度、動作温度、安全性、耐久性、充電時間、およびコストを改善する方法を常に探しています。 これには、グラフェンなどの新素材の実験や、代替電極構造の探索が含まれます。
次回ノートパソコンや電気自動車を使用するときは、18650 セルの背後にある科学を理解してください。
リチウムイオン電池の種類
小さい円柱
これらは最も一般的なタイプのリチウム イオン セルであり、ほとんどの電動自転車や電気自動車のバッテリーに使用されています。 さまざまな標準サイズがあり、端子のない堅牢なボディを備えています。
大円柱
これらのリチウム イオン電池は、小さな円筒形のものよりも大きく、大きなネジ端子を備えています。
フラットまたはポーチ
これらは、携帯電話や新しいラップトップに見られる、ソフトでフラットなセルです。 リチウムイオンポリマー電池とも呼ばれます。
硬質プラスチックケース
これらのセルには大型のネジ端子が付いており、通常は電気自動車のトラクション パックで使用されます。
ゼリーロール
円筒形のセルは、米国では「ジェリー ロール」としても知られる特徴的な「スイス ロール」方式で作られます。 これは、XNUMX つのスプールに巻かれた正極、セパレータ、負極、およびセパレータの XNUMX つの長い「サンドイッチ」であることを意味します。 ジェリー ロールには、電極を積み重ねたセルよりも高速に製造できるという利点があります。
パウチセル
パウチセルは最高の重量エネルギー密度を持っていますが、充電状態 (SOC) レベルが高い場合、膨張を防ぐための外部封じ込め手段が必要です。
フロー電池
フロー電池は、カソードまたはアノード材料を水溶液または有機溶液に懸濁させる比較的新しいタイプのリチウムイオン電池です。
最小のリチウムイオン電池
2014 年、パナソニックは最小のリチウムイオン電池を開発しました。 ピン形状で直径3.5mm、重さ0.6g。 通常のリチウム電池に似ており、通常は「LiR」という接頭辞が付いています。
バッテリーパック
バッテリ パックは複数の接続されたリチウム イオン セルで構成され、電気自動車などの大型デバイスに電力を供給するために使用されます。 安全上のリスクを最小限に抑えるために、温度センサー、電圧レギュレーター回路、電圧タップ、および充電状態モニターが含まれています。
リチウムイオン電池は何に使われていますか?
家電
リチウムイオン電池は、お気に入りのガジェットの電源として頼りになります。 信頼できる携帯電話からラップトップまで、デジタル カメラ、および電気タバコ、これらのバッテリーはあなたの技術を動かし続けます。
パワーツール
DIY 愛好家なら、リチウム イオン電池が最適であることをご存知でしょう。 コードレス ドリル、サンダー、のこぎり、さらにはホイッパー スニッパーやヘッジ トリマーなどの園芸用品もすべて、これらのバッテリーに依存しています。
電気自動車
電気自動車、ハイブリッド車、電動バイクと電動スクーター、電動自転車、個人用トランスポーター、および高度な電動車椅子はすべて、リチウム イオン電池を使用して移動します。 ラジコン、模型飛行機、さらには火星探査機キュリオシティもお忘れなく！
電気通信
リチウムイオン電池は、電気通信アプリケーションのバックアップ電源としても使用されています。 さらに、グリッド エネルギー貯蔵の潜在的なオプションとして議論されていますが、まだコスト競争力はありません。
リチウムイオン電池の性能について知っておくべきこと
エネルギー密度
リチウムイオン電池に関して言えば、かなりのエネルギー密度が見られます! 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) と 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3) の話です。 小さな街を照らすには十分な電力です。
電圧
リチウムイオン電池は、鉛酸、ニッケル水素、ニッケルカドミウムなど、他のタイプの電池よりも開放電圧が高くなります。
内部抵抗
内部抵抗はサイクルと経年変化の両方で増加しますが、これはバッテリーが保管されている電圧と温度に依存します。 これは、負荷がかかると端子の電圧が低下し、最大電流引き込みが減少することを意味します。
充電時間
リチウムイオン電池の充電に 45 時間以上かかる時代は終わりました。 最近では、2015 分以内にフル充電できます。 600 年には、研究者は 68 mAh 容量のバッテリーを 3,000 分間で 48% の容量まで充電し、XNUMX mAh のバッテリーを XNUMX 分間で XNUMX% の容量まで充電することさえ実証しました。
コスト削減
リチウム イオン電池は 1991 年以来、長い道のりを歩んできました。価格は 97% 下がり、エネルギー密度は XNUMX 倍以上になりました。 同じ化学的性質を持つ異なるサイズのセルは、異なるエネルギー密度を持つこともできるため、費用対効果を高めることができます。
リチウムイオン電池の寿命はどうなっていますか?
基礎
リチウムイオン電池に関して言えば、寿命は通常、特定のしきい値に達するまでにかかる完全な充放電サイクルの数で測定されます。 このしきい値は通常、容量損失またはインピーダンス上昇として定義されます。 メーカーは通常、「サイクル寿命」という用語を使用して、バッテリーの寿命を定格容量の 80% に達するまでにかかるサイクル数で表します。
リチウムイオン電池を充電した状態で保管すると、容量が減少し、セル抵抗が増加します。 これは主に、アノード上の固体電解質界面が連続的に成長するためです。 サイクルと非アクティブなストレージ操作の両方を含むバッテリのライフ サイクル全体は、カレンダー寿命と呼ばれます。
バッテリーのサイクル寿命に影響する要因
バッテリーのサイクル寿命は、次のようないくつかの要因の影響を受けます。
- 温度
- 放電電流
- 充電電流
- 充電状態範囲（放電深度）
スマートフォン、ラップトップ、電気自動車などの実際のアプリケーションでは、バッテリが常に完全に充電および放電されるとは限りません。 これが、完全な放電サイクルの観点からバッテリー寿命を定義することが誤解を招く可能性がある理由です. この混乱を避けるために、研究者は累積放電を使用することがあります。これは、バッテリーの全寿命または同等の全サイクル中にバッテリーによって供給される総充電量 (Ah) です。
バッテリーの劣化
バッテリは、その寿命にわたって徐々に劣化し、容量が減少し、場合によっては動作セル電圧が低下します。 これは、電極に対するさまざまな化学的および機械的変化によるものです。 劣化は温度に強く依存し、高い充電レベルも容量損失を早めます。
最も一般的な劣化プロセスには次のものがあります。
- アノードでの有機カーボネート電解質の還元により、固体電解質界面 (SEI) が成長します。 これにより、抵抗インピーダンスが増加し、サイクル可能な Ah 電荷が減少します。
- リチウム メタル メッキは、リチウム インベントリ (サイクル可能な Ah 充電) の損失と内部短絡にもつながります。
- サイクル中の溶解、ひび割れ、剥離、剥離、または通常の体積変化による (負または正の) 電気活性材料の損失。 これは、充電と電力の両方のフェード（抵抗の増加）として現れます。
- 低セル電圧での負の銅集電体の腐食/溶解。
- PVDF バインダーの劣化。これにより、電気活性材料が脱離する可能性があります。
したがって、長持ちするバッテリーを探している場合は、サイクル寿命に影響を与える可能性のあるすべての要因に注意してください。
リチウムイオン電池の危険性
リチウムイオン電池とは？
リチウムイオン電池は、現代社会の原動力です。 スマートフォンから電気自動車まで、あらゆるものに使われています。 しかし、すべての強力なものと同様に、いくつかのリスクが伴います。
リスクは何ですか？
リチウムイオン電池には可燃性の電解質が含まれており、損傷すると加圧される可能性があります。 これは、バッテリーの充電が速すぎると、短絡を引き起こし、爆発や火災につながる可能性があることを意味します。
リチウムイオン電池が危険になる方法のいくつかを以下に示します。
- 熱的虐待: 不十分な冷却または外部火災
- 電気的虐待: 過充電または外部短絡
- 機械的虐待: 侵入または衝突
- 内部短絡：製造上の欠陥または経年劣化
何ができるのか？
リチウムイオン電池の試験基準は、酸電解質電池の試験基準よりも厳しいものです。 安全規制当局によっても出荷制限が課されています。
場合によっては、7 年の Samsung Galaxy Note 2016 のリコールのように、バッテリー関連の問題により、企業が製品のリコールを余儀なくされています。
火災の危険性を低減するための不燃性電解質を開発する研究プロジェクトが進行中です。
リチウムイオン電池が損傷したり、つぶれたり、過充電保護なしでより高い電気負荷にさらされたりすると、問題が発生する可能性があります。 バッテリーをショートさせると過熱し、場合によっては発火する可能性があります。
ボトムライン
リチウムイオン電池は強力で、私たちの世界に革命をもたらしましたが、リスクも伴います。 これらのリスクを認識し、それらを軽減するための措置を講じることが重要です。
リチウムイオン電池の環境への影響
リチウムイオン電池とは？
リチウムイオン電池は、電話やラップトップから電気自動車に至るまで、私たちが日常的に使用する多くのデバイスの電源です。 リチウム、ニッケル、コバルトで構成されており、エネルギー密度が高く、寿命が長いことで知られています。
環境への影響は？
リチウムイオン電池の製造は、次のような環境に深刻な影響を与える可能性があります。
- リチウム、ニッケル、コバルトの抽出は水生生物に有害であり、水質汚染や呼吸障害を引き起こす可能性があります。
- 採掘副産物は、生態系の劣化や景観の損傷を引き起こす可能性があります。
- 乾燥地域での持続不可能な水の消費。
- リチウム抽出の大量の副産物生成。
- リチウムイオン電池製造の地球温暖化係数。
私たちは何ができる？
リチウムイオン電池の環境への影響を軽減するために、次のことを支援できます。
- 生産の二酸化炭素排出量を削減するためのリチウムイオン電池のリサイクル。
- 電池をリサイクルせずに再利用する。
- 使用済みバッテリーを安全に保管してリスクを軽減します。
- 乾式冶金法と湿式冶金法を使用して、バッテリーのコンポーネントを分離します。
- セメント産業で使用するためのリサイクル プロセスからのスラグを精製します。
人権に対するリチウム抽出の影響
地元の人々への危険
リチウム イオン電池の原料を採掘することは、地域住民、特に先住民にとって危険な場合があります。 コンゴ民主共和国産のコバルトは、多くの場合、安全対策がほとんど講じられていない状態で採掘され、負傷者や死亡者を出しています。 これらの鉱山からの汚染により、人々は有毒な化学物質にさらされ、先天性欠損症や呼吸困難を引き起こす可能性があります. これらの炭鉱では児童労働が行われていることも報告されています。
自由な事前のインフォームドコンセントの欠如
アルゼンチンでの調査では、国は先住民の自由な事前のインフォームド コンセントの権利を保護していない可能性があり、採掘会社は地域社会の情報へのアクセスを管理し、プロジェクトの議論と利益配分の条件を設定していることが明らかになりました。
抗議と訴訟
ネバダ州の Thacker Pass リチウム鉱山の開発は、何人かの先住民部族から抗議と訴訟を受けており、彼らは自由な事前のインフォームド コンセントが与えられておらず、このプロジェクトが文化的および神聖な場所を脅かしていると主張している. 人々はまた、このプロジェクトが先住民族の女性にリスクをもたらすことへの懸念を表明しています。 抗議者たちは 2021 年 XNUMX 月からこの場所を占拠しています。
人権に対するリチウム抽出の影響
地元の人々への危険
リチウム イオン電池の原材料を採掘することは、現地の人々、特に先住民にとっては本当に残念なことです。 コンゴ民主共和国産のコバルトは、多くの場合、安全対策がほとんど講じられていない状態で採掘され、負傷者や死亡者を出しています。 これらの鉱山からの汚染により、人々は有毒な化学物質にさらされ、先天性欠損症や呼吸困難を引き起こす可能性があります. これらの炭鉱では児童労働が行われていることも報告されています。 うわぁ！
自由な事前のインフォームドコンセントの欠如
アルゼンチンでの調査では、国が先住民族に自由な事前のインフォームド コンセントの権利を与えていない可能性があり、採掘会社が地域社会の情報へのアクセスを管理し、プロジェクトの議論と利益配分の条件を設定していることが判明しました。 クールではありません。
抗議と訴訟
ネバダ州の Thacker Pass リチウム鉱山の開発は、先住民のいくつかの部族からの抗議と訴訟に直面しており、彼らは事前の自由なインフォームド コンセントが与えられておらず、このプロジェクトが文化的および神聖な場所を脅かしていると主張しています。 人々はまた、このプロジェクトが先住民族の女性にリスクをもたらすことへの懸念を表明しています。 抗議者たちは 2021 年 XNUMX 月からこのサイトを占拠しており、すぐに立ち去るつもりはないようです。
違い
リチウムイオン電池対リポ
Li-ion 対 LiPo バッテリーに関しては、巨人の戦いです。 リチウムイオン電池は非常に効率的で、大量のエネルギーを小さなパッケージに詰め込んでいます。 しかし、正極と負極の間の障壁が破られると、不安定で危険になる可能性があります。 一方、LiPo バッテリーは発火の危険性がないため、はるかに安全です。 また、リチウムイオン電池のような「メモリー効果」の影響を受けないため、容量を失うことなく何度でも充電できます。 さらに、リチウムイオン電池よりも寿命が長いため、頻繁に交換する必要がありません。 したがって、安全で信頼性が高く、長持ちするバッテリーを探しているなら、LiPo が最適です。
リチウムイオン電池と鉛蓄電池
鉛蓄電池はリチウムイオン電池よりも安価ですが、性能は劣ります。 鉛蓄電池は充電に最大 10 時間かかる場合がありますが、リチウム イオン電池はわずか数分で充電できます。 これは、リチウム イオン バッテリーがより高速な電流を受け入れ、鉛蓄電池よりも速く充電できるためです。 そのため、すばやく効率的に充電できるバッテリーを探しているなら、リチウム イオンが最適です。 しかし、予算が限られている場合は、鉛酸がより手頃なオプションです.
よくある質問
リチウムイオン電池はリチウムと同じですか？
いいえ、リチウムイオン電池とリチウム電池は同じではありません! リチウム電池は一次電池です。つまり、充電できません。 したがって、一度使用したら完了です。 一方、リチウムイオン電池は二次電池であり、充電して繰り返し使用することができます。 さらに、リチウムイオン電池はリチウム電池よりも高価で、製造に時間がかかります。 したがって、充電できるバッテリーを探しているなら、リチウムイオンが最適です。 しかし、より安価で長持ちするものが必要な場合は、リチウムが最善の策です.
リチウム電池用の特別な充電器が必要ですか?
いいえ、リチウム電池用の特別な充電器は必要ありません。 iTechworld リチウム電池を使用すると、充電システム全体をアップグレードしたり、余分な現金を費やす必要はありません。 必要なのは既存の鉛酸充電器だけで、準備完了です。 当社のリチウム電池には特別なバッテリー管理システム (BMS) が搭載されており、既存の充電器でバッテリーを正しく充電できます。
使用をお勧めしない唯一の充電器は、カルシウム電池用に設計された充電器です。 これは、電圧入力が通常、リチウム ディープ サイクル バッテリーに推奨される電圧よりも高いためです。 誤ってカルシウム充電器を使用してしまった場合でも、BMS が高電圧を検出してセーフ モードに入り、バッテリーを損傷から保護します。 そのため、特別な充電器を購入して銀行を壊す必要はありません。既存の充電器を使用するだけで準備完了です。
リチウムイオン電池の寿命はどのくらいですか?
リチウムイオン電池は、日常のガジェットの背後にある電力です。 しかし、彼らはどのくらい続くのですか？ 平均的なリチウム イオン バッテリーは、300 ～ 500 回の充放電サイクルで使用できるはずです。 これは、携帯電話を XNUMX 日 XNUMX 回、XNUMX 年以上充電するようなものです。 さらに、以前のようにメモリの問題を心配する必要はありません。 バッテリーを満タンにして冷やしておくだけで、準備完了です。 リチウムイオン電池は、きちんと手入れをすれば長持ちするはずです。
リチウムイオン電池の主な欠点は何ですか?
リチウムイオン電池の主な欠点は、そのコストです。 それらは Ni-Cd よりも約 40% 高価なので、予算が限られている場合は、他の場所を探すことをお勧めします. さらに、それらは老化しやすいため、数年後に容量を失い、故障する可能性があります. 誰もそんな暇なんかありはせん！ したがって、リチウムイオンに投資する場合は、必ず調査を行い、投資に見合った最高の成果を上げてください。
まとめ
結論として、リチウムイオン電池は、携帯電話から電気自動車まで、日常のデバイスに電力を供給する革新的な技術です。 正しい知識があれば、これらのバッテリーは安全かつ効率的に使用できます。恐れずに、思い切ってリチウムイオン バッテリーの世界を探検してください。
こんにちは、私はキムです。母親であり、メディア作成と Web 開発のバックグラウンドを持つストップモーション愛好家です。 私は絵を描くこととアニメーションに大きな情熱を持っており、今はストップモーションの世界に真っ向から飛び込んでいます。 私のブログでは、私が学んだことを皆さんと共有しています。
