リチウムイオン電池の構成と反応、特徴【リチウムイオン電池の動作原理】

リチウムイオン電池の構成と反応、特徴【リチウムイオン電池の動作原理】

 

こちらのページでは

 

・リチウムイオン電池の構成材料
・リチウムイオン電池の反応(動作原理)と特徴

 

というテーマで解説していきます。

 

 

リチウムイオン電池の構成材料

リチウムイオン電池は繰り返し充放電できる二次電池に分類されます。

 

リチウムイオン電池は、一般的に正極、負極、セパレータ、電解液、外装材等から構成されます。

 

電池の構成と役割は以下の通りです。

 

電池の構成と役割

 

正極(溶剤系とします)
 
正極は、直接反応のやりとりをする正極活物質、電子伝導性を高める導電助剤、電気エネルギーを集める集電箔(主にAl)、集電箔に正極活物質や導電助剤を結着させるためのバインダーから構成されます。

 

電池としての役割は反応のやり取りを行う部分であり、かつLiイオンの供給源とも言えます。

 

正極活物質に何を使用するかで電池の作動電圧や安全性など大きく変化します。

 

実用化されている有名な正極活物質としては、コバルト酸リチウムマンガン酸リチウムリン酸鉄リチウムが挙げられます。

 

 

負極(水系とします)
 
負極は、直接反応のやりとりをする負極活物質、電極作製用のスラリーの粘度調整のための増粘剤(電極が水系の場合に使用)、電気エネルギーを集める集電箔(主にCu)、集電箔に負極活物質や導電助剤を結着させるためのバインダーから構成されます。

 

正極同様に負極にも電子伝導性を高める導電助剤を入れているメーカーもあります。

 

こちらも、負極活物質に何を使用するかで電池の作動電圧安全性など大きく変化します。

 

実用化されている有名な負極活物質としては、黒鉛チタン酸リチウムなどが挙げられます。

 

 

 

 

セパレータ
 
セパレータは正極と負極の短絡を防ぎつつ、Liイオンや電解液を通す役割を持っています。また、過充電時などの異常時に電池が高温となった場合はシャットダウン機能により通電、発熱を抑制する役割も持っています。

 

セパレータに何を使用するかで、電池の内部抵抗安全性に影響を与えます。

 

最も採用されているセパレータとしては、ポリオレフィン系のセパレータが挙げられます。
 
 
電解液
 
電解液は正極と負極で反応のやりとりを起こすためのLiイオンを運ぶ役割を持っています。

 

電解液に何を使用するかで、電池の内部抵抗安全性に影響を与えます。
 
リチウムイオン電池では作動電圧が大きいため、水溶液を使用すると電気分解されてしまうため、電位窓と呼ばれる電気的に安定な範囲がより広い有機系の溶媒にLi塩を溶かしたものが一般的に採用されています。
 
電解液の溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)やジメチルカーボネート(DMC)などを混合したもの、電解質としてはLiPF6などが一般的に使用されます。

 

 

ケース
ケース(外装材)は内部の保護や電解液漏洩防止などの電池として内部電気的エネルギーを保護する役割を持っています。

 

主に、金属ケース(円筒や角型)やラミネート材が使用されます。
 
 

 

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 リチウムイオン電池の反応(動作原理)と特徴

リチウムイオン電池の反応(動作原理)

 

正極活物質にコバルト酸リチウム、負極活物質に黒鉛を使用した際の、リチウムイオン電池の反応式は以下の通りです。

 

 

 

放電時、上式において反応が右に進みます。

 

反応のイメージは以下の通りです。

 

 

リチウムイオン電池の特徴

 
@高電圧で作動、高エネルギー密度であること
 
他の二次電池と比較して、リチウムイオン電池はエネルギー密度が非常に大きく、最近ではスマホやPCを始めとして、EVや家庭用蓄電池といった各業界の主流になっています。

 

リチウムイオン電池は単電池で3~4V付近という高電圧で作動でき、ニッケル水素電池などの次いで高電圧である二次電池の作動電圧1~1.5V付近よりも大きいことが特徴です。

 

体積や質量あたりの容量ではニッケル水素電池より小さいですが、電圧と容量の積が関係するエネルギー密度の観点からとらえた場合、リチウムイオン電池は高いエネルギー密度を有します。

 

現在市販されているリチウムイオン電池では、おおよそ体積エネルギー密度で200~400Wh/L程度、質量エネルギー密度で150~200Wh/kgです。

 

次いで大きいエネルギー密度を持つニッケル水素電池での体積エネルギー密度で140~300Wh/L程度、質量エネルギー密度で60〜120Wh/kg程度であり、リチウムイオン電池のエネルギー密度の高さがわかります。

 

 
A寿命が長いこと

 

以前はニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等、同程度のサイクル寿命でしたが、改良が進むにつれ、リチウムイオン電池のサイクル寿命が比較的長くなっています。

 

特に家庭用蓄電池などの過酷でない環境で使用する場合は、10年間使用時の容量維持率が80%以上の値を保証している製品もあるようです。

 

 

Bその他

 

安全性の観点からはリチウムイオン電池は高エネルギー密度であり、かつ電解液に有機系電解液をしようしているために、他の二次電池よりも若干劣ります。

 

スマホバッテリーの発火事故などをニュースで見かけることがしばしばありますよね。

 

ただし、安全性向上のために、過充電時などの異常時も酸素を放出しない正極活物質であるリン酸鉄リチウムを使用したり、内部短絡などの発熱時に結晶構造が崩壊しない負極活物質であるチタン酸リチウム(同様に正極活物質のリン酸鉄リチウムも)を電池に使用したり、システムを厳重にすることで安全性の更なる向上を図る研究開発が盛んにおこなわれています。

 

コストの観点からは、初期コストは高いかもしれませんがWh単価や初期コスト/保証している期間で割った実際に使用した際のコストは他の二次電池と比べ、同等かそれ以下のコストになりつつあります。

 

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