電池におけるプラトーの意味は?【リチウムイオン電池の用語】

電池におけるプラトーの意味は?【リチウムイオン電池の用語】

 

当サイトのメインテーマであるリチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

ただ近年、リチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の安全性(危険性)が認識されるようになり、この安全性の向上がリチウムイオン電池普及のための課題の一つであるといえます。

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増してくるため、リチウムイオン電池に関する知識を増やすとより快適な生活が送れるでしょう。

 

リチウムイオン電池の用語の一つに「プラトー」とという用語があり、ここでは電池におけるプラトーに関する以下のテーマを解説していきます。

 

・電池におけるプラトー(平坦)とは?

 

・プラトー電位を有するリチウムイオン電池の種類やプラトー領域を有する他の電池

 

というテーマで解説しています。

 

 

電池におけるプラトー(平坦)とは?

 

そもそもプラトーとは「平坦、平らな」という意味を持ちます。そして、電池におけるプラトーとは、基本的に電池の充放電カーブ(充放電曲線)の形がプラトー(平坦)であることを指します。

 

例えば、リチウムイオン電池の中でも正極材(正極活物質)にリン酸鉄リチウムを使用し、負極材に黒鉛を使用する場合の充放電曲線はプラトー領域を持ちます。

 

以下にプラトー領域を持つ充放電カーブのイメージを示します。

 


プラトー領域においては、二相共存反応が起こっています。たとえば上に示したリン酸鉄リチウムの充放電極電においては、LiFePO4とFePO4の両方が共存している状態を示しています。

 

また、電池の端子電圧(作動電圧)は構成する正極の電位と負極の電位の差であり、上例ではリン酸鉄リチウムの正極電位もプラトー(平坦)領域をもち、黒鉛負極の電位もプラトーに近いカーブを示すため、その差引した分の端子電圧もプラトーな部分が出来るといえます。

 

各電位のプラトーな領域のことを、プラトー電位とよびます。

 

それでは、プラトー電位を有するリチウムイオン電池の種類や他の電池においてもプラトー領域をもつケースがあるのかどうかは後程解説していきます。

 

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プラトー電位を有するリチウムイオン電池の種類やプラトー領域を有する他の電池

先にも述べたように、電池の端子電圧は正極の電位と負極の電位の差です。

 

リチウムイオン電池の構成部材である正極材の種類(コバルト系マンガン系オリビン系、三元系など)や負極材の種類(黒鉛、チタン酸リチウムハードカーボンソフトカーボン)などが挙げられますが、この中でも以下の材料がプラトー領域をもちます。

 

「リン酸鉄リチウム(オリビン系)」「チタン酸リチウム」は充放電曲線の多くの部分にプラトー領域をもちます。

 

リチウムイオン電池がプラトー領域を持つ理由としては、同じエネルギーでリチウムイオンの脱挿入が行われているためです

 

結晶構造が高いオリビン系やチタン酸リチウムはほとんどSOCにおいて同程度のエネルギーによってリチウムイオンの出し入れをすることが可能ともいえます。

 

一方で、他の材料では脱挿入に伴い、その構造も変化しやすい傾向にあります。そのため、結晶構造が高い材料は、基本的に過充電などの安全性時に結晶構造が崩壊しやすく、かつサイクル試験時の膨張収縮によって材料が劣化しやすい傾向にあるとっもいえます。

 

(また、「マンガン酸リチウム」も途中で段が付きますが一部にプラトー領域をもちます。つまり、途中までは材料の状態が一定であり(プラトー領域)、あるところで大きな構造変化が発生、変化後はプラトー領域を持たない材料と同じで構造が変化しやすい状態となります。

 

性能的にも、安定性はプラトー電位がほとんどである材料とプラトー電位を持たない材料の中間的であるといえます)。

 

 

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