電池の端子電圧と正極電位、負極電位の関係

端子電圧と正極電位、負極電位の関係

 

こちらのページでは、

 

・電池の作動電圧と正極電位、負極電位の関係

 

・正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いた場合端子電圧

 

について解説しています。

 

 

電池の作動電圧と正極電位、負極電位の関係

電池の作動電圧は、電池の正極の作動電位と負極の作動電位の差で表されます。

 

また、電池を通電させてSOCが変化すると、正極電位と負極電位も変化するために電池の作動電圧も変化します。

 

そして、正極の作動電位や負極の作動電位は、正極活物質の種類や負極活物質の種類や、正負極の活物質量のバランスや電池の内部抵抗により、大きく変化します。

 

つまり、電池を設計する際の指針として、電池の作動電圧をコントロールしたい場合は活物質の種類を変えることが有効なのです。

 

次に具体例を用いて、電池の作動電圧について解説していきます。

 

 

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正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いた場合端子電圧

 

正極活物質としてコバルト酸リチウムを使用した場合は、以下のような放電曲線(電位と容量の関係)になります。

 

 

そして、負極活物質として黒鉛を使用した場合は、以下のような放電曲線になります。

 

 

 

ここで、それぞれのグラフの横軸は通電時の電気量で単位が【mAh/g】となっています。

 

大まかな例としてで、ある電池の電極1枚に1gの正極活物質を使用し、これを電池にするとしましょう。

 

すると、初回充電時140mAh分の電気量が負極に移動します。

 

ここで、負極の方も理論容量ぎりぎりまで使用する(活物質におしこめる事ができる限界までLiイオンを挿入する)と考えた場合、およそ372mAh/gとなります。

 

よって、初回充電時に140mAhの電気量を受け入れるには140mAh ÷ 300mAh/g ≒ 0.38g の負極活物質を電極1枚に塗布する必要があるのです。

 

そして、140mAh分の一部は負極にて不可逆容量(SEIの生成)となり、使用できなくなります。

 

初回の充放電効率を95%とした場合、140 × 0.95 = 133mAhが初回の放電容量として使用できる電池を設計したことになります。

 

そして、この時の電池の端子電圧、正極電位、負極電位の関係は以下のイメージ図のようになります。
(満充電時4.2V、完全放電時2.5Vで電池を使用すると仮定)

 

 

 

これらのように、正極活物質、負極活物質の種類や、正負極のバランスにより、端子電圧と放電容量SOCとの関係が大きく変化します。

 

 

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