バッテリーの死：私たちは皆、これがどのように起こるかを見ました。 電話、ラップトップ、カメラ、そして現在の電気自動車では、このプロセスは痛みを伴い、運が良ければ遅いです。 長年にわたり、デバイスに数時間（さらには数日も）電力を供給していたリチウムイオンバッテリーは、充電を保持する能力を徐々に失います。 最後に、おそらくSteve Jobsを呪い、そして新しいバッテリー、または新しいガジェットを購入します。
しかし、なぜこれが起こっているのでしょうか？ バッテリーが息を吐くとどうなりますか？ 簡単な答えは、高温に長時間さらされることによる損傷と、多数の充放電サイクルにより、電極間でリチウムイオンを移動させるプロセスが最終的に混乱し始めるということです。
望ましくない化学反応、腐食、高温の脅威、およびパフォーマンスに影響するその他の要因について説明するより詳細な答えは、すべてが正常に機能する場合にリチウムイオン電池で何が起こるかを説明することから始まります。
リチウムイオン電池の紹介
従来のリチウムイオン電池では、コバルトを含む酸化リチウムなどの酸化リチウムでできたカソード（または負極）があります。 また、今日では通常グラファイト製であるアノードまたは正極もあります。 薄い多孔性のセパレーターが2つの電極を離して保持し、短絡を防ぎます。 そして、有機溶媒から作られ、リチウム塩に基づいた電解質は、リチウムイオンがセル内を移動できるようにします。
充電中、電流がリチウムイオンをカソードからアノードに移動します。 放電中（つまり、バッテリー使用時）、イオンはカソードに戻ります。
アルゴンヌ国立研究所の科学者ダニエル・アブラハムは、リチウムイオン電池の劣化に関する研究を行い、このプロセスを水力発電システムの水と比較しました。 水を上に移動するにはエネルギーが必要ですが、非常に簡単に下に流れます。 実際、それは運動エネルギーを供給します、とアブラハムは言います、同様に、陰極のリチウムコバルト酸化物は「そのリチウムをあきらめたくありません」。 水が上方に移動するように、リチウム原子を酸化物から移動させ、アノードに移動させるにはエネルギーが必要です。
充電中、アノードを構成するグラファイトのシート間にイオンが配置されます。 しかし、アブラハムが言ったように、「彼らはそこにいたくありません。できるだけ早く戻ります」と、水が丘を下って流れます。 これは放電です。 長寿命のバッテリーは、このような数千回の充放電サイクルに耐えることができます。
バッテリーが切れたのはいつですか？
「死んだ」バッテリーについて話すときは、エネルギーと電力という2つのパフォーマンスメトリックを理解することが重要です。 場合によっては、バッテリーからエネルギーを受け取ることができる速度が非常に重要です。 これが力です。 電気自動車では、高出力により高速加速が可能になり、数秒以内にバッテリーを充電する必要があるブレーキングも可能になります。
一方、携帯電話では、高電力は容量やバッテリーが保持できるエネルギー量ほど重要ではありません。 大容量バッテリーは、1回の充電で長持ちします。
時間が経つにつれて、バッテリーはいくつかの方法で劣化し、容量と電力の両方に影響を及ぼし、最終的には基本的な機能を実行できなくなります。
水に関連する別の例えで考えてみましょう。バケツに水道水を入れるような、バッテリーの充電です。 バケット容量は、バッテリーの容量または容量です。 それを満たせる速度-クレーンをフルパワーで、または細い流れで回す-これがパワーです。 しかし、時間、高温、複数のサイクル、その他の要因が最終的にバケットに穴を開けます。
バケツと同様に、水が染み出します。 バッテリーでは、リチウムイオンが除去されるか、「付着」します、とアブラハムは言います。 その結果、電極間を移動する能力が失われます。 そのため、数か月後、最初は数日ごとに充電する必要があった携帯電話を、毎日充電する必要があります。 それから一日二回。 最終的に、リチウムイオンが多すぎると「結合」し、バッテリーは有効な電荷を保持できなくなります。 バケツは水の保持を停止します。
何が壊れて、なぜ
カソードのアクティブな部分（バッテリー内のリチウムイオン源）は、安定性と性能を確保するために特定の原子構造で設計されています。 イオンがアノードに移動してからカソードに戻るとき、理想的には、安定した結晶構造を維持するために元の場所に戻りたいと考えています。
問題は、充電と放電のたびに結晶構造が変化する可能性があることです。 アパートAからのイオンは必ずしも家に帰るわけではありませんが、近所のアパートBに移動する可能性があります。 次に、アパートBからのイオンは、この不法占拠地で占められている場所を見つけ、対立することなく、廊下に落ち着くことに決めます。 などなど。
徐々に、材料内のこれらの「相転移」は、カソードを他の電気化学的特性を持つ結晶の新しい結晶構造に変換します。 最初に必要な性能を提供する原子の正確な配置は変化しています。
車両が加速または減速するときにのみ電力を供給するために必要なハイブリッドカーバッテリーでは、これらの構造変化は電気自動車よりもはるかに遅いです。 これは、システムの各サイクルでリチウムイオンのごく一部しか移動しないという事実によるものです。 その結果、元の位置に戻るのが簡単になります。
腐食問題
バッテリーの他の部分でも劣化が起こる可能性があります。 各電極は、本質的に金属片（通常はアノード用の銅、カソード用のアルミニウム）である電流コレクタに接続されており、電子を収集して外部回路に移動します。 そのため、リチウムコバルト酸化物（セラミックであり、非常に優れた導体ではありません）などの「活性」材料からの粘土と、金属片に付着した接着剤のようなバインダー材料があります。
バインダー材料が破壊されると、集電体の表面が「剥離」します。 金属が腐食すると、電子を効率的に移動できません。
バッテリーの腐食は、電解質と電極の相互作用の結果として発生する可能性があります。 グラファイト陽極は「放電しやすい」、つまり 彼は簡単に電解質に電子を「与え」ます。 これにより、グラファイトの表面に不要なコーティングが生じる可能性があります。 一方、カソードは非常に「酸化性」が高いため、電解質から電子を容易に受け入れます。場合によっては、集電体のアルミニウムを腐食させたり、カソードの一部にコーティングを形成したりする可能性があります。
良すぎる
アノードの製造に広く使用されているグラファイトは、有機電解質中で熱力学的に不安定です。 これは、バッテリーの最初の充電から、グラファイトが電解質と反応することを意味します。 これにより多孔質層（固体電解質インターフェースまたはTEIと呼ばれる）が作成され、最終的にアノードがさらなる攻撃から保護されます。 この反応は、少量のリチウムも消費します。 理想的な世界では、この反応は保護層を作成するために一度発生し、それはそれです。
しかし実際には、TEIは非常に不安定な擁護者です。 Abrahamによれば、グラファイトは室温で十分に保護されますが、高温やバッテリーの充電がゼロになると（「深放電」）、TEIは電解質に部分的に溶解します。 高温では、電解質も分解する傾向があり、副作用が加速します。
良好な状態に戻ると、別の保護層が形成されますが、これによりリチウムの一部が消費され、漏出バケットと同じ問題が発生します。 携帯電話をもっと頻繁に充電する必要があります。
そのため、グラファイトアノードを保護するためにTEIが必要です。この場合、実際にはあまりにも多くの可能性があります。 保護層が厚すぎると、リチウムイオンに対する障壁になり、そこから自由に移動する必要があります。 これは電力に影響します。これは、アブラハムが強調するように、電気自動車にとって「非常に重要」です。
より良いバッテリーの作成
それでは、バッテリーの寿命を延ばすために何ができるでしょうか？ 実験室の研究者は私達の食事のビタミンのように機能する電解質の補足を捜しています、すなわち。 電極と電解質の間の有害な反応を減らすことで、バッテリーの動作を改善し、長寿命を実現します、とアブラハムは言います。 さらに、電極のより安定した新しい結晶構造、およびより安定したバインダーと電解質を探しています。
一方、バッテリーおよび電気自動車会社のエンジニアは、リチウムイオンバッテリーを一定の健全な温度範囲に保つために、エンクロージャーと熱制御システムに取り組んでいます。 消費者として、極度の温度と深い放電を避け、また、常に急速に死んでしまうと思われるバッテリーについて不平を言い続けることは私たちに残っています。