電池の容量の計算方法

リチウムイオン電池の容量の計算方法

 

こちらのページではリチウムイオン電池における

 

・電池の容量の計算方法

 

について解説しています。

 

 

電池構造の概要

 

最近では、スマホ向け電池やEV用電池など更なる高容量化に向けた研究開発が進んでいます。

 

そもそも電池の容量とはどのように設計されているのでしょうか?

 

以下に簡単な容量の計算方法について解説していきます。

 

その前に、簡単に円筒型のリチウムイオン電池の構造について解説しますね。

 

円筒型の電池の中身は、下図のように正極セパレータ負極を重ね合わせ、巻回することで作製されます。

 

これらを組み合わせたものをエレメントと呼びます。

 

エレメントにおいて、セパレータから各電極がはみ出す部分を作り、金属部品などでまとめます。

 

すると、イメージ図右下のように正極がまとまった部分と負極がまとまった部分ができます。

 

これらを円筒缶に挿入し、電解液を注入、円筒缶の正極端子(+)とエレメントの正極がまとまった部分、円筒缶の負極端子(−)とエレメントの負極がまとまった部分をつなぐと電池の完成です。

 

 

電池の構造について、大まかにわかりましたでしょうか?

 

それでは、次に容量な計算の方法について解説します。

 

 

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容量には正極活物質と負極活物質が大きく関係します!

 

上で電池の構成部材に正極、負極を使用していましたよね。

 

容量は正極、負極と大きく関わってきます。

 

ここで、簡単に正極、負極の構成についてまず説明します。

 

正極は一般的に、電気を集める集電箔(Al)、直接反応に関わる正極活物質、電子の移動を速くする導電助剤、活物質などを箔に結着させるバインダー等から構成されます。

 

そして、負極の一般的に、電気を集める集電箔(Cu)、直接反応に関わる負極活物質、活物質などを箔に結着させるバインダー等から構成されます。

 

ここで、容量に関わるものは、正極活物質と負極活物質です。

 

ある体積かある質量において、この正極活物質と負極活物質の量が多ければ多いほど電池の容量は上がります。

 

ここで、以下のような正極-セパレータ-負極の組み合わせがあるとします。

 

 

実際には、正極合剤中の正極活物質の割合等により計算は複雑になるのですが、結果として正極活物質(LiCoO2)が1g/1cm^2塗られているとします。

 

LiCoO2は使用できる容量は140mAh/g程度(理論容量はもっと上ですが140mAh/g以上使用すると結晶構造が壊れ、充放電でんきなくなってしまいます)であるため、上記の面積当たりの正極が出せるLiイオンの容量は14000mAhと計算できます。

 

初回充電時に、この14000mAh分が負極(C:グラファイト)に入り、入る時に使用される容量分は280mAh/gとなります。

 

そして、初回充放電効率(初回放電容量/初回充電電気量 × 100)を考慮して(280mAh/g分の例えば80mAh/g分が不可逆容量になるとします)

 

つまり、14000mAh分充電できてとしても、一部が不可逆容量としてSEIとなるために放電できる容量は14000×200/280=10000mAhとなります。

 

よって、上の電池の容量(放電容量)は10000mAhの電池となります。

 

この容量を、電池になった時の体積で割ったものを体積エネルギー密度、質量で割ったものを質量エネルギー密度と呼びます。

 

 

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