【大きいほど低抵抗?】リチウムイオン電池の容量と内部抵抗の関係

【大きいほど低抵抗?】リチウムイオン電池の容量と内部抵抗の関係

 

スマホ向けのバッテリーや電気自動車向けバッテリーを始めとしたリチウムイオン電池において、更なる高容量化、高電圧化、高エネルギー密度化に向けて、各企業で様々な研究開発が進められています。

 

また、一般的に内部抵抗の低い電池の方が作動電圧が高く保て良い電池ですが、その内部抵抗と容量は関係があるのでしょうか?

 

こちらのページでは、

 

・電池の反応面積と内部抵抗の関係

 

・電池の反応面積と容量の関係

 

というテーマで解説しています。

 

 

電池の反応面積と内部抵抗の関係

電池の内部抵抗や容量の詳細を考える前に、電気抵抗について復習してみましょう。

 

ある金属の電気抵抗を考えるとすると、電気抵抗R=ρ L/S という式が成り立ち、材料自体が持つρ:電気の伝わりにくさを表し指標が一定の場合、その材料の長さに比例、断面積に反比例します。

 

これを電池の内部抵抗でも同様に考えると、電池の内部抵抗がRに相当、合剤電極の組成や電極構造などから決まる単位面積あたりの抵抗値がρ、電極の厚み方向の長さがL、電極の反応面積がSに相当するようなイメージと思って頂いて問題ありません。
電池設計のパラメータはこちらで解説しています

 

電池の内部抵抗Rに関しても R=ρL/Sという同様の式が成り立ちます

 

つまり、電池の内部抵抗は反応面積に反比例し、反応面積が大きいほど内部抵抗は小さくなるのです

 

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電池の反応面積と容量の関係

 

同様に電池の反応面積と容量の関係を考えていきましょう。

 

反応面積(正極や負極の塗工部で対向している部分の面積)や塗工質量などの各パラメータから電池の容量を求める方法(電池設計シート)についてはこちらで解説していますが、電極の組成や材料、電極構造が一定の場合(ρ一定)で、電極の厚み方向の長さ(塗工質量と多孔度より決まる)が一定の場合(L一定の場合)、電池の容量は反応面積Sに比例します

 

反応部分が大きいほど容量(つまり反応電気量)が大きくなるというイメージはしやすいかと思います。

 

(反応面積はラミネート型電池などでも使用されている積層式のエレメントで作製の場合、電極枚数(対向部の数)やエレメントの数に比例していきます。)

 

つまり、どんな電池でも反応面積が大きい(サイズが大きい)電池ほど容量は大きくなります

 

式にしますと、容量=KS(Kは定数)となり、上の内部抵抗R=ρL/SとSを介して結びつけると、S=容量/K=ρL/Rとなり、容量=K'/RとS以外のパラメータが一定の場合、容量と内部抵抗が反比例の関係にあることがわかりますね。

 

この考え方を用いれば、同じ材料で同じ仕様(組成や多孔度など)の電極を使用した場合、サイズ違いの電池(反応面積違いの電池)の内部抵抗や出力の予想ができるようになります。

 

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