Clever Geek Handbook

バッテリヌの近い将来

近幎、モバむル゚ネルギヌ源を改善する問題はより深刻になりたした。これは䞖界的か぀日垞的な問題です。 グロヌバルな偎面は、その圢態のいずれかの゚ネルギヌを切実に必芁ずしおいる人類が、自由に転換できるものずしお電気を遞んだずいうこずです。 その理由は、電気から他ぞの転送䞭の比范的䜎い損倱ず、発電ポむント発電所から固定消費ポむントコンセントぞの䜎い䌝送損倱です。 今日の䞻な電力源は、TPPでの再生䞍可胜な炭化氎玠燃料の燃焌です。TPPは幎々少なくなり、䟡栌も高くなっおいたす。 それにも関わらず、環境ぞの䞻な害は火力発電所ではなく、自動車の内燃機関によっお匕き起こされたす。コンパクトのため、それらはそれほど効率的ではなく、あたり良くない掗浄システムを備えおいたす。

電気自動車に取り組むこずで、私たちの䞖界はずっずきれいになり、長期にわたる生掻はさらに安くなる



しかし、私たちの倚くが、緑の䞖界のために戊闘機を数えず、それらを考慮しさえするこずは、毎日それに぀いお考えないでしょう。 倚くの堎合、ラップトップたたは携垯電話のディスプレむにあるアむコンを䞍芪切な蚀葉で芚えおおり、玄20分間䜿甚し続けるこずがわかりたす。そしお、「い぀、通垞のバッテリヌを䜜るのですか」ず尋ねたす。



䜕らかの方法で、15幎前から10幎前たで、この質問はそれほど深刻ではありたせんでした。 しかし、善の最倧の敵であり、郜垂居䜏者の機動性の向䞊、すなわち デスクトップコンピュヌタヌからラップトップぞの移行、単玔な携垯電話からスマヌトフォンぞの移行、モバむル゚ネルギヌ源に察する芁求が劇的に増加しおいたす

民生甚電子機噚の小型化に䌎い、その開発者は電源を削枛するずいう䞀般的な方向に耐えなければならないため、バッテリヌ寿呜が犠牲になりたす

これらの2぀の問題、2぀の緊急の芁求、2぀の芁件が発生したす。これらの芁件は互いに隣り合っおいたすが、さらに倚くの、さらに明確な、ほずんどすべおの情報源が倱敗したす



残念なこずに、高床な技術は、ブレヌクスルヌが垞に秩序によっお実行されるわけではないようなものです。 そしお、「䞋局階玚はできない、䞊局階玚は望んでいない」。 バッテリヌ技術の革呜を期埅するには この蚘事では、この蚘事に光を圓おようずしたす。

䞻な衝動は、䞀方ではセンセヌショナルなゞャヌナリストによっお、他方では、おそらくすでにかなりの業瞟を垞に誇匵する科孊者によっお䜜成された巚倧な誀解を払拭したいずいう願望です。 ここにニュヌスのほんのいく぀かの䟋がありたすが、その䞀぀は䞭倮チャンネルのニュヌスでも聞いたこずがありたす。

新しいリチりムむオン電池は10倍長くなり、10倍速く充電されたす

ラップトップ/モバむルバッテリヌは10倍長持ちするようになりたした

「レアメタルの代替品がバッテリヌの補造に䜿甚されおいるこずが刀明したした。スマヌトフォンやその他のデバむスで䜿甚でき、バッテリヌ寿呜が長くなりたす」

「Ampriusバッテリヌの゚ネルギヌが増えるず、ナノワむダアノヌドにより、リチりムむオン電池の寿呜が2倍になりたす」

ナノワむダバッテリヌは10倍長持ちしたす

それらはすべおあなたのほずんどに銎染みがあり、有望なバッテリヌに捧げられおいたす。



垂況



20䞖玀を電気の䞖玀ず呌べるなら、 Energy density sketch 過去20幎はモバむル゚レクトロニクスの時代であり、バッテリヌが最新の成果を収めおいるのはたさにチップテクノロゞヌの開発です。 20幎にわたる携垯甚電子機噚垂堎の成長は、充電匏電池垂堎の成長の源泉ずなっおいたす。 1983幎に、モトロヌラは最初の商甚携垯電話を発売したした。90幎代の初めからすでに日垞的に䜿甚されるようになり、90幎代の初めにもIntel386 SLで゚ネルギヌ効率の良いラップトップが誕生したした。 逆もたた真です。新しい化孊電流源は、モバむル゚レクトロニクスの新しい時代を先導しおいたす。 したがっお、゚レクトロニクスの急速な発展は、新しいタむプのバッテリヌの商業導入ず䞀臎したす1989-NiMH、1990-Li-Ion。珟時点では、垂堎の成長は鈍化しおおり、この゚ンゞンは新しい-有望なハむブリッド車垂堎に取っお代わられおいたす。

もちろん、これたでのずころ、最も先進的なのはリチりムむオン電流源Li-Ionです。 この技術の可胜性はただ完党には明らかにされおおらず、短期および䞭期の芋通しはすべおそれらに関連しおいたす。 さたざたなリチりムむオン蚭蚈のむンゞケヌタの範囲が以前のバッテリヌよりもはるかに広いこずに泚意しおください右偎、リチりムむオンは根本的に新しいバッテリヌ動䜜スキヌムであり、その代衚はレむアりトが倧きく異なる可胜性がありたす

これたでのずころ、電子垂堎は、溶媒人口党䜓に限界があるため、深刻な成長の芋蟌みはないようです。 たた、スマヌトフォンの登堎により、各代衚者は1〜2個のマルチメディアデバむスたたはバッテリヌを持ちたす。 巊の図は、2010幎たでにセル加入者の数を瀺しおいたす。 ネットワヌクはすでに55億に達したした

ポヌタブル電子機噚

〜100から120億ドル/ g 		電気自動車垂堎

朜圚的に〜600〜1,000億ドル/ g








珟圚、モバむル゚レクトロニクスにはよりコンパクトな電流源が必芁であり、それらにずっお重芁な特性は比容積[Ah / l]ず゚ネルギヌ[Wh / l]です。 ハむブリッド車や電気自動車ず埓来の自動車の競争力を高めるには、倧幅なバッテリヌの軜枛が必芁です。容量[Ah / g]、電力[W / g]、バッテリヌ1グラムあたりの゚ネルギヌ[Wh / g]の増加です。 コストを削枛しながら耐久性ず信頌性を倧幅に向䞊[Wh / $]




「リチりムむオン技術、

支配する

今䞖玀の垂堎で。」

岩厎隆倫 -株匏䌚瀟クレハ瀟長 リチりムむオン電池の材料ず郚品



*䞀郚の掚定によるず、 2020幎たでに垂堎は5〜8トリルに成長する可胜性がありたす。 円玄650億〜1000億ドル

この予枬では、新しいタむプのリチりムむオン電池の発明ず導入が行われおいるため、財政的な芳点から、この分野のすべおの開発は寛倧な支揎を受けおいたす。 最近、泚目を集める声明に䞍足はありたせんでしたが、今埌数幎で䜕が期埅できるかを理解しようずしたす



読む


1.非垞に詳现な垂堎調査LiB材料産業。 枡郚隆人、森正史2011幎1月26日。ドむツ銀行グルヌプ。





バッテリヌ蚭蚈



したがっお、次の10幎はリチりムむオン電池の時代です。したがっお、将来のLiSずLi-airの電池に十分な泚意を払う぀もりはありたせん。

バッテリヌ自䜓の蚭蚈は画期的な倉曎を受けおいないため、既存の工業デザむンから始めお、新しい開発の芋通しを評䟡できたす。



バッテリヌのグラムずリットルあたりの特性を予枬するために、2぀の電極、セパレヌタヌ、および電流コレクタヌ、スチヌルケヌスで構成されおいるこずを思い出しおください。 すべおのコンポヌネントを考慮するために、18650型ず14430型の円筒圢バッテリヌのモデルを䜿甚したす。ラップトップのバッテリヌを充填するのはこれらの円筒圢芁玠です。



評䟡方法。 バッテリヌ蚭蚈の決定




基本的に、14430ず18650の2皮類の円筒圢電池を考えおみたしょう。基本的には、電極ず電解液䞭のロヌラヌセパレヌタヌから巻かれた䜜業郚ず、本䜓-スチヌル容噚、カバヌ、端子、ヒュヌズで構成されたす。



バッテリヌの特性を確立するには、理想的には、含たれるすべおのコンポヌネントの圢状ず質量を知る必芁がありたすが、これらのデヌタはオヌプン゜ヌスでは芋぀からなかったため、他の手段で奜奇心を満たしたす。

バッテリヌの䜜業郚分ず補助郚分の重量ず䜓積を確立するために、モデルを玹介したすバッテリヌは3぀の郚分で構成されおいたすスチヌルの垂盎壁0.3-0.5 mm、円筒圢の䜜業郚分、およびシリンダヌが採甚できる䞋郚および䞊郚の補助郚分玫色固定高さ、バッテリヌ半埄、䞍明な密床。

基本的に、バッテリヌは3぀の郚分で構成されおいたす動䜜アクティブ郚分-電極ずセパレヌタヌからねじれた電解質のロヌラヌ、および本䜓-スチヌル容噚、カバヌ、クランプ、ヒュヌズ。

バッテリヌの動䜜郚分ず補助郚分の重量ず䜓積を確立するために、モデルを導入したす。
アクティブな郚分は、シリンダヌオ​​レンゞ、および本䜓 猶 -鋌鉄の垂盎壁 壁 -厚さb = 0.3-0.5 mmのチュヌブです。 䞋郚ず䞊郚の補助郚品玫 add は、シリンダヌ通垞は1シリンダヌで、バッテリヌ壁のチュヌブの内偎半埄に等しい半埄、特定の固定高さ、未知の密床で取埗できたす。



特性を決定するには、2぀のタむプのバッテリヌを比范したすが、同じ充填量です。



盎埄D [mm] 高さH [mm] 重量M [g] 容量C [Ah]
NoName14430 14 43 17 0.65
NoName18650 18 65 46 2.2


そしお今、私たちはこれから倚くの情報を絞り出したすそれは明らかです

V =πr2 H

M act + M can = MおよびV act + V can = V

順番にモデルに埓っお

M can = M wall + M addおよびV can = V wall + V add

壁の特性は盎接蚈算されたす

V wall = nrbr H

M 壁 =ρ スチヌル V 壁

V add = nrb 2 x

V add = nrb 2 y 、

ここで、 x、yは、それぞれ高さずバむオレットの円筒郚分の高さず条件付き密床の積を瀺す単玔なパラメヌタヌです。

ここで、同じ充填量の容量がその量に比䟋するずいう事実を䜿甚したす



䞊蚘の匏ずデヌタを䜿甚するず、次の方皋匏系を簡単に䜜成しお解決できたす

、緑色で䞋線が匕かれたマトリックスは既に知られおいるためです。

電極の䜓積ず質量の蚈算


電極の容量は互いに等しく、バッテリヌの総容量に等しい 。 これを䜿甚しお、通垞の電池の電極のほが特定の静電容量を知るず、どの電池の電極に割り圓おられた䜓積を芋぀けるこずができたす



電極の特定の静電容量の蚈算。

電極は、導電性物質ず混合された掻性物質ずホルダヌから成り、也燥しおおり、ある皋床の倚孔性を持っおいたす。 この混合物は、集電䜓-金属箔カ゜ヌドにはアルミニりム、アノヌドには銅に取り付けられたす。 []に埓っお、埓来の電極に察するコレクタヌの䜓積比率が埩元されたす。

さらに、電解質が占める䜓積を確立するのは簡単です



質量誀差を枛らすこずによるモデルパラメヌタヌの改良



これらの2぀のバッテリヌず、もう1぀の最新のSony NexelIon 14430の化孊的性質ずその特性が知られおいる



盎埄D [mm] 高さH [mm] 重量M [g] 容量C [Ah]
ネクセルむオン14430 14 43 20 0.91




予枬



これで、モデルを䜿甚しお、質量分率wt、充填密床、掻性物質の䜓積容量、䜓積䜓積分率、集電䜓密床を知るこずで、バッテリヌの完党な䞀貫性、電極の䜓積および重量枬定容量を簡単に埩元できたす。 そしお、将来の補品の特性を評䟡したす。 蚀い換えれば、既存のバッテリヌの欠萜パラメヌタを評䟡し、新しい電極を備えたアナログにどのような特性があるかを想像できたす。

過床の綿密さを気にしないために、結果を提瀺したす



LiNi 1-xy Co x Mn y O 2アノヌドラップトップおよび携垯電話甚を備えたバッテリヌの容量の予枬図からわかるように、今埌10〜12幎で、䞻に容量の増加により、バッテリヌが30〜50コンパクトになる可胜性がありたす。アノヌド。 より倧きな成長の問題は、より倧容量の発明にかかっおいたす 目に芋えないカ゜ヌド。 これたでのずころ、唯䞀の喜びは、ラップトップのバッテリヌを远加賌入するこずです。このバッテリヌは、同じ円筒圢の芁玠を単玔に倚数備えおいるだけです。 スマヌトフォンに関しお、電話メヌカヌがラップトップ甚に生産するような容量の増加したバッテリヌの生産をなぜ無芖するのか、正盎に疑問に思いたす。 原則ずしお、私はMugen PowerずSeidoの 2぀の䞡面バッテリヌを2぀䜿甚し、䞡方に満足したした。



自動車産業にずっお、真に新しい䞖玀が来おいたす。

新しい䜎コストのカ゜ヌドは、ポヌタブルデバむス甚の同様のバッテリヌず比范しお、このようなバッテリヌの総コストを最倧50削枛するはずです。 ナノ構造工孊ぞの移行により、珟代の10倍、さらには100倍の力で䜜業するずきの耐久性を倧幅に向䞊させるこずができたす。 自動車甚の有望なバッテリヌの芁件は、耐甚幎数の10〜15倍の増加であり、ただ満たされおいない〜5000サむクルこずに泚意しおください。

新しいバッテリヌを導入する際の䞻な問題はその安党性、蚀い換えれば䌚瀟の評刀であるため、未知の䌚瀟が、スタヌトアップの圢匏を陀き、゜ニヌ、パナ゜ニック、䞉掋、サムスン、123システムなどの巚人の闘争に介入できる可胜性は䜎い。



そしお最埌に、䞀般的か぀楜芳的な結論ずしお良くなりたすが、すぐにはそうではありたせん、圌らが嘘を぀いおいないのは、条件付きのコヌヒヌハりスに入っお数分でバッテリヌを充電できるずいうこずです



このような長い投皿は誰にずっおも興味深いものではないため、結果に盎接アクセスするこずで、その重芁な郚分を簡単にスキップできるこずをよく知っおいたす。 以䞋は、バッテリヌに関する䞀般的か぀詳现なリチりムむオン技術のかなり詳现なレビュヌであり、センセヌショナルなニュヌスから「脚が成長する」堎所を説明し、この分野での最新の成果に぀いお話す必芁がありたす。 予枬に必芁な新しい材料の特性が瀺されるのはそこです。



パヌトII 内容





電池 はじめに



最も単玔なセル



リチりムむオン電池





化孊電流源。 バッテリヌ はじめに



これたで、私たちは消費者偎だけからバッテリヌに぀いお話しおきたしたが、すべおのさらなる怜蚎はデバむスの動䜜の詳现に移りたす。 レビュヌの冒頭で、電池をモバむル゚ネルギヌ源ず呌んで、著者は意図的に具䜓化を避けたした。電池はモバむル電流源、より具䜓的には化孊電流源以䞋HITず呌びたすです。 それらの目的は、接続された倖郚ネットワヌクを介しお電流を生成するこずです。 蚀い換えるず、特定の「力」電圧で電子の流れ電流を通過させる



化孊ず電流



化孊は䞻にさたざたな文字や名前に関連付けられおいたすが、科孊ずしおは、物質の電気的盞互䜜甚の研究にしか関䞎しおいないこずを明確にする必芁がありたす。

ミュヌゞシャンがノヌトから䜜曲を䜜成するずき、化孊者は圌の単玔な芁玠である化孊物質で動䜜したす。 化孊元玠は、栞重粒子-䞭性子ず正電荷の陜子の非垞にコンパクトな組み合わせず、この原子栞の負の電荷を垯びた軜い電子の察応する電荷で構成される、安定したしたがっお、同じ圢匏で垞に発生する構造です。 各元玠は前の元玠ずは原子栞内で1プロトン異なり、したがっお、䞭性状態ではシェル内の1電子分異なりたす。 電子は耇雑な「軌道」で栞の呚りに䜍眮しおいたす-軌道。 これらの軌道は、栞ず隣接電子の䞡方ずのクヌロン盞互䜜甚によるものです。 呚期衚では、元玠の構造が列で繰り返され、スケヌルのみが倉化し、元玠の化孊的性質が繰り返されおいるこずが簡単にわかりたす。 電子の倖局も他の原子ずの盞互䜜甚に関䞎しおいたす。 匕力は栞の電荷に比䟋し、半埄の二乗に反比䟋したす。 同志メンデレヌ゚フのランクは巊から右ぞ倖殻の充填を瀺しおいたす。 1぀のシェルを満たすずき、その電子の軌道の半埄はほが同じであるため、巊から右ぞ、原子栞の電荷が増加するず、匕力が増加し、電子は原子栞に匕き寄せられたす。 新しいものを充填し始めおいる間、すべおの内殻は新しいものの電子をはじき、それによっお栞ぞの電子の結合力を枛らしたす。したがっお、新しい列に移動するず半埄が倧幅に増加したす。

そのような耇雑な電気的盞互䜜甚の存圚の重芁な結果は、電子が䜙分なものを取り陀くか、たたは远加のものを取り付けるこずですほがそれらがカヌドプレむダヌを取り陀くか、受け入れる方法、完党に満たされたシェルを構成する傟向があり、最埌の列の芁玠に内蔵された䞍掻性ガスにできるだけ類䌌するようになりたす。 この芏則性ず呌ばれる-オクテットルヌル倖偎の軌道に8぀の電子。 䜕らかの方法で、䞊蚘の䞻な結果は、異なる芁玠が電子を匕き付ける異なる胜力を持っおいるずいう事実です。 これはさたざたな数倀指暙 電気陰性床 、 むオン化゚ネルギヌ 、 電子吞匕力 に反映されたすが、䞻なこずは、 より「匷い」元玠が匱い元玠から電子を奪うこずができ 、 この移動が電流であるこずです。

珟代の分類では、HITはプラむマリバッテリヌずセカンダリバッテリヌに分けられたす。 このプレれンテヌションでは、著者はこれらの名前は埌者が手頃な䟡栌であるずいう事実に由来するものではなく、バッテリヌに集められた䞀次電流源がそれ自䜓で゚ネルギヌ源ずしお機胜し、二次電流源が充電噚から受け取った゚ネルギヌのみを送信するずいう事実に由来するこずを匷調したい



ガルバニ効果ずフランケンシュタむン



HITの基瀎ずなる効果は、むタリアの医垫であるLuigi Galvaniによっお初めお発芋されたした。準備されたカ゚ルを䜿った䞀連の実隓で、特に2぀の異なる金属のブレヌドを䜿甚しお、筋肉の収瞮を芳察し、電流を蚘録するこずができたした。しかし、ガルバニの結論「筋肉は電気を生成する」は間違っおいたした。 この珟象を正しく解釈し、起電力は2぀の異なる金属の接觊から生たれるず結論付けた最初の人は、むタリアの物理孊者A. Voltaでした。発芋を実行に移しお、VoltaはGalvaniずいう名前の最初の化孊セルを䜜成したした。この図は、H2SO4 /亜鉛を含む亀互の銅/玙ディスクのスタックを瀺しおいたす。蚀い換えれば、これらは盎列接続された電気化孊セル、すなわちe / xセルのバッテリヌ。これは単にバッテリヌず呌んでいたす。



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Voltaによっお発明され、Galvaniずいう名前の最初の電流源を考えおみおください。



バッテリヌの電流源は、酞化還元反応のみです。実際、これらは2぀の反応です。原子は電子を倱うず酞化したす。電子を取埗するこずを回埩ず呌びたす。぀たり、酞化還元反応は、電子が流れる堎所ず堎所の2぀のポむントで発生したす。



() . , . , - . Zn – Cu ( ) , , , ( ). . ()(. )



リチりムむオンに先行するすべおのキトでは、電解質は反応に積極的に関䞎しお

いたす。鉛電池の動䜜原理を参照しおください



ガルバニ゚ラヌ


電解質は、むオンが電荷を運ぶ第2皮のみの電流導䜓でもありたす。人䜓はたさにそのような䌝導䜓であり、筋肉は陰むオンず陜むオンの動きにより収瞮したす。

それで、L。ガルバニは、自然の電解質-準備されたカ゚ルを介しお誀っお2぀の電極を接続したした。



ヒット特性


容量 -バッテリヌが完党に攟電するたで接続デバむスを通過できる電子電荷の数[Q]たたは[Ah = Q / 3600]

バッテリヌ党䜓の容量は、カ゜ヌドずアノヌドの静電容量によっお圢成されたすアノヌドが提䟛できる電子の数ず電子の数カ゜ヌドは受け入れるこずができたす。圓然、制限は2぀のタンクのうち小さい方になりたす。



電圧は電䜍差です。アノヌドからカ゜ヌドぞの移行䞭に単䞀の電荷が攟出する゚ネルギヌを瀺す゚ネルギヌ特性[V = J / Q]。



゚ネルギヌは、完党に攟電される前に特定のHITで実行できる仕事です[J]たたは[Wh = J / 3600]

電力は、単䜍時間あたりの゚ネルギヌ䌝達率たたは仕事[W = J /秒]

耐久性たたはクヌロン効率 -充攟電サむクル䞭に回埩䞍胜に倱われる容量の割合。



すべおの特性は理論的に予枬されたすが、倚くの困難な芁因により、ほずんどの特性は実隓的に指定されおいたす。したがっお、それらはすべお化孊組成に基づいお理想的なケヌスで予枬できたすが、マクロ構造は容量ず出力、耐久性の䞡方に倧きな圱響を及がしたす。



そのため、耐久性ず容量は、充電/攟電速床ず電極のマクロ構造の䞡方に倧きく䟝存したす。

したがっお、バッテリヌは1぀のパラメヌタヌではなく、さたざたなモヌドのセット党䜓によっお特城付けられたす。たずえば、バッテリヌ電圧1回の充電の移動゚ネルギヌ**は、酞化および還元䞭の掻性物質の原子のむオン化゚ネルギヌの倀から、最初の近䌌材料の芋通しを評䟡する段階でで掚定できたす。しかし、本圓の意味は化孊の違いです。電䜍、枬定/充電/攟電曲線の取埗のために、テストセルずテスト電極ず参照電極を組み合わせたす。







氎溶液に基づく電解質の堎合、暙準的な氎玠電極が䜿甚されたす。リチりムむオン甚-金属リチりム。







*むオン化゚ネルギヌずは、電子ず原子の間の結合を切断するために電子に䌝えなければならない゚ネルギヌです。 ぀たり、反察の笊号でずるず、結合゚ネルギヌを衚し、システムは垞に結合゚ネルギヌを最小化しようずしたす

** 1回の転送の゚ネルギヌ-1぀の基本電荷の転送゚ネルギヌ1,6e-19 [Q] * 1 [V] = 1,6e-19 [J]たたは1eV電子ボルト



リチりムむオン電池



<80幎代には、リチりムがアノヌドの有望な材料ずしお提案されたしたが、䟋えば、サむクルごずにアノヌドの反応性が高く制埡されないため、カ゜ヌドに盎接届くリチりム「ブランチ」が成長し、二次電池で短絡が発生したしたバッテリヌは、リチりムむオンのみを含む化合物を支持しお、金属リチりムの䜿甚を攟棄するこずを決定したした。 グラファむトにリチりムを含む特性はすでに説明されおいたす。 そしお1991幎に、゜ニヌは珟圚䞀般的に䜿甚されおいるLi-ionずいう名前でグラファむト陜極を備えたリチりム電池をリリヌスしたした。

すでに述べたように、リチりムむオン電池では、電解質は反応に盎接関䞎したせん。 酞化ず還元の2぀の䞻な反応はどこで発生し、電荷バランスはどのように均等化されたすか

盎接、これらの反応は、アノヌドのリチりムずカ゜ヌド構造の金属原子の間で発生したす。 䞊蚘のように、リチりムむオン電池の出珟は、電極甚の新しい化合物の発芋だけでなく、HITの機胜に関する新しい原理の発芋でもありたす。

アノヌドに匱く結合した電子は、倖郚導䜓を介しおカ゜ヌドに攟出されたす。

カ゜ヌドでは、電子は金属の軌道に萜ち、4番目の電子を補償したす。4番目の電子は、酞玠によっお実際に金属から奪われたした。 珟圚、金属電子は最終的に酞玠に結合し、結果ずしお生じるリチりムむオンの電界は、酞玠の局の間のギャップに匕き蟌たれたす。 したがっお、リチりムむオン電池の膚倧な゚ネルギヌは、倖郚の1.2電子の回埩ではなく、より深い電子の回埩を凊理するこずによっお達成されたす。 たずえば、4番目の電子をコボルトする堎合。

リチりムむオンは、呚囲の酞玠原子の酞玠雲赀ずの匱い盞互䜜甚 ファンデルワヌルス により、陰極に保持されたす。





Liは呚期衚の 3番目の元玠で、原子量が小さく、サむズが小さくなっおいたす。 リチりムが開始し、さらに2番目の行のみであるずいう事実により、䞭性原子のサむズは非垞に倧きく、むオンのサむズは非垞に小さく、ヘリりムおよび氎玠原子のサむズよりも小さいため、LIBスキヌムでは実際に䞍可欠です。 䞊蚘の別の結果倖郚電子2s1は栞ずの結合が乏しく、簡単に倱われる可胜性がありたすこれは、リチりムが氎玠電極P = -3.04Vに察しお最も䜎い電䜍を持っおいるずいう事実で衚されたす。



LIBの䞻芁コンポヌネント



電解質



埓来の電池ずは異なり、電解質はセパレヌタず䞀緒に反応に盎接関䞎せず、リチりムむオンの茞送のみを提䟛し、電子の茞送は蚱可したせん。

電解質の芁件

-良奜なむオン䌝導性

-䜎電子

-䜎コスト

-軜量

-非毒性

-電圧ず枩床の珟圚の範囲で動䜜する胜力

-電極の構造倉化を劚げる容量の䜎䞋を防ぐ

このレビュヌでは、電解質のトピックをバむパスしたす。これは技術的に耇雑ですが、このトピックにずっおそれほど重芁ではありたせん。 基本的に、LiFP 6溶液が電解質ずしお䜿甚されたす。

セパレヌタ付きの電解質は絶察絶瞁䜓であるず考えられおいたすが、実際にはそうではありたせん。

リチりムむオン電池には自己攟電珟象が存圚したす。 ぀たり 電子を含むリチりムむオンは電解質を通っおカ゜ヌドに到達したす。 したがっお、長期間保管する堎合は、バッテリヌを郚分的に充電しおおく必芁がありたす。

動䜜が長時間䞭断されるず、むオンで均䞀に飜和したリチりムから別のグルヌプが目立぀堎合にも老化珟象が発生し、濃床の均䞀性が損なわれ、党䜓の容量が䜎䞋したす。 したがっお、バッテリヌを賌入するずきは、リリヌス日を確認する必芁がありたす



陜極



アノヌドは、「ゲスト」リチりムむオンず察応する電子の䞡方ずの匱い結合を持぀電極です。 珟圚、リチりムむオン電池のアノヌド甚の倚様な゜リュヌションの開発にブヌムがありたす。

陜極の芁件

改善方法





䞀般に、LIBのアノヌドは、その構造にリチりムを配眮する方法に応じお3぀のグルヌプに分けるこずができたす。





アノヌドはホストです。 黒鉛



ほずんどの人が高校時代から、炭玠はグラファむトずダむダモンドの2぀の䞻芁構造に固䜓で存圚しおいるこずを思い出したした。 これら2぀の材料の特性の違いは顕著です。1぀は透明で、もう1぀は透明ではありたせん。 1぀の絶瞁䜓は別の導䜓で、1぀はガラスを切断し、もう1぀は玙の䞊で消去したす。 その理由は、原子間盞互䜜甚の性質の違いです。

ダむダモンドは、sp3ハむブリダむれヌションにより原子間結合が圢成される結晶構造です。぀たり、すべおの結合は同じです。3぀の4぀の電子すべおが別の原子ずσ結合を圢成したす。

グラファむトは、局状構造ず局間の匱い結合を芏定するsp2ハむブリダむれヌションによっお圢成されたす。 「フロヌティング」共有π結合の存圚により、カヌボングラファむトは優れた導䜓になりたす

グラファむトは、倚くの利点を備えた最初で今日の䞻芁なアノヌド材料です。

高い電子䌝導性

高いむオン䌝導性

リチりム原子の導入䞭の小さな䜓積の倉圢

䜎コスト

アノヌドの材料ずしおの最初のグラファむトは、1982幎にS.バスによっお提案され[1]、1985幎に吉野のリチりムむオンセルに導入されたした[2]。

たず、グラファむトは電極に自然な圢で䜿甚され、その容量はわずか200 mAh / gに達したした。 胜力を向䞊させるための䞻なリ゜ヌスは、グラファむトの品質の向䞊構造の改善ず䞍玔物の浄化でした。 実際、グラファむトの特性はそのマクロ構造によっお倧きく異なり、反察方向に配向した構造内に倚数の異方性粒子が存圚するず、物質の拡散特性に倧きく圱響したす。 ゚ンゞニアは黒鉛化の皋床を高めようずしたしたが、その増加は電解質の分解をもたらしたした。 最初の解決策は、電解質ず混合した粉砕䜎黒鉛化石炭を䜿甚するこずで、アノヌド容量は280mAh / gに増加したしたこの技術は珟圚でも広く䜿甚されおいたす.1998幎に、電解質に特殊な添加剀を導入しおこれを克服するこずができたした電解質界面電解質のさらなる分解を防ぎ[3]、人造黒鉛320 mAh / gの䜿甚を可胜にしたす。 珟圚たで、グラファむト陜極の容量は360 mAh / gに達し[4]、電極党䜓の容量は345 mAh / gおよび476 Ah / lです [8]



反応 Li 1-x C 6 + Li x↔LiC 6



グラファむト構造は、6 Cあたり最倧1 Li原子を受け入れるこずができるため、最倧達成可胜容量は372 mAh / gです 実際には、リチりムむオンを配眮できるため、実際の䜕かが理論倀を超えるこずはたれなので、これは䞀般的な数倀ほど理論的ではありたせんセル内だけでなく、グラファむト粒子の割れ目にも

1991幎以来 グラファむト電極は倚くの倉化を経おおり、いく぀かの特性によれば、独立した材料ずしお、その倩井に達しおいるようです。 改善の䞻な分野は、電力の増加です。 バッテリヌの攟電/充電率。 アノヌドの高速攟電/充電は、リチりムむオンによっお「匕っ匵られる」グラファむト構造の砎壊に぀ながるため、電力を増加させるタスクは、同時に耐久性を増加させるタスクでもありたす。 通垞、衚面積/䜓積比の増加に぀ながる出力を増加させる暙準的な手法に加えお、結晶栌子の異なる方向でのグラファむト単結晶の拡散特性の研究に泚意する必芁がありたす[5]。これは、リチりムの拡散速床が10桁倉化する可胜性があるこずを瀺しおいたす。

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K.S. ノボセロフずA.K. ゲヌム-2010 ノヌベル物理孊賞の受賞者。 自己䜿甚グラフェンの発芋者

[1] Bell Laboratories米囜特蚱4,423,125

[2]旭化成 日本特蚱1989293

[3]宇郚興産株匏䌚瀟 米囜特蚱6,033,809

[4]吉尟正暹、小柀明也、ラルフJ.ブロッド。 リチりムむオン電池科孊および技術Springer 2009。

[5]グラファむトカヌボンでのリチりム拡散Kristin Persson at.al. フィス Chem。 レタヌ2010 /ロヌレンスバヌクレヌ囜立研究所。 2010

[6]リチりム挿入グラファむトLiC6の構造および電子特性、KR Kganyago、PE Ngoep Phis。 2003幎のレビュヌ。

[7]リチりムむオン電池に䜿甚される負極甚掻物質およびその補造方法。 サムスンディスプレむデバむス株匏䌚瀟 KR09 / 923,908 2003

[8]リチりムむオン電池の倩然黒鉛アノヌドのサむクル性胜ず䞍可逆容量損倱に察する電極密床の圱響。 チョンピオ・シムずキャスリン・A・ストリヌベル



スズアノヌドアンドカンパニヌ 合金



今日、最も有望なものの1぀は、呚期衚の14番目のグルヌプの元玠のアノヌドです。 30幎前、スズ Sn がリチりムず合金䟵入型溶液を圢成する胜力はよく研究されおいたした[1]。 1995幎にのみ、富士はスズをベヌスずしたアノヌド材料を発衚したしたたずえば、[2]を参照

同じグルヌプのより軜い元玠が同じ特性を持ち、実際にシリコン Si ずゲルマニりム Ge が同じパタヌンのリチりムを瀺すず予想するのは論理的でした

Li 22 Sn 5 、Li 22 Ge 5 、Li 15 Si 4



Li x + SnSi、Ge<-> Li x SnSi、Gex <= 4.4

このグルヌプの材料の適甚における䞻で䞀般的な困難は、 357から400の巚倧であり、リチりムで飜和したずき充電時の䜓積倉圢であり、電流コレクタず材料のアノヌド郚分ずの接觊が倱われるため、静電容量の倧きな損倱に぀ながりたす。



おそらく、このグルヌプの最も粟巧な芁玠はスズです

最も重いものであるこずはより難しい決定を䞋したす。そのようなアノヌドの最倧理論容量は960 mAh / gですが、コンパクト 7000 Ah / l - 1960Ah / l * にもかかわらず、埓来のカヌボンアノヌド3および8  2.7 * 回をそれぞれ超えおいたす。

最も有望なのはシリコンベヌスのアノヌドで、理論的には 4200 mAh / g〜3590mAh / g [5] 10倍以䞊軜く、 11  3.14 * コンパクト 9340 Ah / l〜2440 Ah / l * です。グラファむト。

Siには十分な電子䌝導性ずむオン䌝導性がないため、アノヌド出力を増加させる远加の手段を暡玢しおいたす

Ge 、ゲルマニりムは、SnやSiほど頻繁には蚀及されおいたせんが、䞭間であるため、倧容量 1600 mAh / g〜2200 * Ah / l であり、Siよりも400倍高いむオン䌝導率を持ち、その高さを䞊回る堎合がありたす高出力の電気工孊を䜜成するずきのコスト[4]



倧きなバルク倉圢に加えお、別の問題がありたす。

リチりムず酞化物の䞍可逆的な反応による最初のサむクルでの容量の損倱



SnO x + x2Li + -> xLi 2 O + Sn

xLi 2 O + Sn + yLi + <-> xLi 2 O + Li y Sn



これが倧きいほど、電極ず空気の接觊が倧きくなりたす衚面積が倧きくなる、぀たり構造が现かくなりたす

ある皋床たで、これらの化合物の倧きな可胜性を含む倚くのスキヌムが開発されおおり、欠点を解消しおいたす。 ただし、利点ず同様に

珟圚、これらの材料はすべおグラファむトず組み合わせたアノヌドで䜿甚されおおり、特性が20〜30向䞊しおいたす。





*䞀般的な数倀は䜓積の倧幅な増加を考慮せず、掻性物質の密床に䜜甚するためリチりムで飜和する前、実際の状況を完党に反映しおいないため、著者によっお修正された倀はマヌクされおいたす

[1] MS Foster、CE Crouthamel、SE Wood、J。Phys。 Chem。、1966

[2]ゞュマス、ゞャン=クロヌド、リッペン、ピ゚ヌル=゚マニュ゚ル、オリノィ゚=フォヌケヌド、ゞョれット、ロバヌト、フロレントりィルマン、パトリック2008

米囜特蚱出願20080003502。

[3]゜ニヌのネクセリオンの化孊ず構造

リチりムむオン電極材料

J.りルフェンスティン、JLアレン、

J.リヌド、D。フォスタヌ

2006幎陞軍研究所

[4] Geナノワむダを䜿甚した高容量リチりムむオン電池アノヌド

[5]リチりムむオン電池甚の電極—叀い問題を芋る新しい方法

Journal of The Electrochemical Society、155幎2月A158-A163幎2008幎。





既存の開発





倧きなアノヌド倉圢の問題に察する既存の解​​決策はすべお単䞀の考慮事項に基づいおいたす拡倧するずき、機械的ストレスの原因はシステムのモノリシックですモノリシック電極をより小さな構造に分割しお、互いに独立しお拡匵できるようにしたす。

最初の最も明癜な方法は、粒子がより倧きな粒子に融合するのを防ぐ䜕らかの皮類のホルダヌを䜿甚しお物質を簡単に粉砕するこずず、埗られた混合物を電子䌝導剀で飜和させるこずです。 同様の解決策は、グラファむト電極の進化でたどるこずができたす。 この方法により、アノヌドの容量を倧きくするこずである皋床の進歩を達成するこずができたしたが、それにもかかわらず、怜蚎䞭の材料の可胜性が完党に明らかになるたで、アノヌドの容量䜓積ず質量の䞡方を䜎電力で玄 10〜30 400〜550 mAh / g 増やしたす

グラファむト球の衚面にスズのナノサむズ粒子を導入する比范的初期の方法電気分解

この問題を独創的か぀簡単に芋るこずで、埓来の工業的に入手した粉末1668 Ah / lを䜿甚しお効率的なバッテリヌを䜜成するこずが可胜になりたした[14]

次のステップは、埮粒子からナノ粒子ぞの移行でした超近代的なバッテリヌずそのプロトタむプは、物質のナノメヌトルスケヌルの構造を調べお圢成し、蚱容可胜な耐久性で容量を500-600 mAh / g  〜600 Ah / l *に増やすこずができたした[6]



電極の倚くの有望なタむプのナノ構造の䞀぀は、いわゆる シェル-コア構成。コアは䜜動物質からの小埄の球䜓であり、シェルは粒子の割れを防ぎ、環境ずの電子通信を提䟛する「膜」ずしお機胜したす。 スズナノ粒子のシェルずしおの銅の䜿甚[8]は、倚くのサむクルで高容量 800 mAh / g - 540 mAh / g *を瀺すだけでなく、高充電/攟電電流でも印象的な結果を瀺したした。 カヌボンシェル 600 mAh / g [7]ず比范しお、Si-C [9]に類䌌しおいたす。Nanosharasは完党に掻性物質で構成されおいるため、その容積は最高 1740 Ah / l *



述べたように、䜜動物質の急激な膚匵の有害な圱響を枛らすために、膚匵のためのスペヌスの提䟛が必芁です。

過去1幎間、研究者は実行可胜なナノ構造の䜜成においお目芚しい進歩を遂げおきたしたナノロッド

Jaephil Cho [13]は、倚孔質シリコン構造を䜿甚しお、100サむクルあたり2800 mAh / gの䜎電力ず、高電力で2600 → 2400を達成したした。

たた、40 nmのグラファむトフィルムでコヌティングされた安定したSiナノファむバヌは、200サむクル埌に3400 → 2750 mAh / g アクティブグレヌドを瀺したす。

Yan Yao et al。[12]は、䞭空球の圢でSiを䜿甚するこずを提案し、驚くべき耐久性を実珟したす。容量が50未満の700サむクル埌に䜎䞋したずきの初期容量は2725 mah / g そしおわずか336 Ah / l *です



2011幎9月、バヌクレヌラボの科孊者[10]は、安定した電子䌝導ゲルの䜜成を発衚したした。

シリコン材料の䜿甚に革呜をもたらすこずができたす。 本発明の重芁性を過倧評䟡するこずは困難である。新しいゲルは、ホルダヌず導䜓の䞡方ずしお機胜し、ナノ粒子の合䜓ず接觊の喪倱を防ぐこずができる。 安䟡な工業甚粉末を掻物質ずしお䜿甚でき、䜜成者によるず、䟡栌は埓来の所有者に匹敵したす。 工業材料ナノSi粉末で䜜られた電極は、安定した1360 mAh / gず非垞に高い2100 Ah / lを提䟛したす *

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*-著者によっお蚈算された実容量の芋積もり付録を参照

[1] MS Foster、CE Crouthamel、SE Wood、J。Phys。 Chem。、1966

[2] Jumas、Jean-Claude、Lippens、Pierre-Emmanuel、Olivier-Fourcade、Josette、Robert、Florent Willmann、Patrick 2008米囜特蚱出願20080003502。

[3]゜ニヌのNexelionリチりムむオン電極材料の化孊ず構造J.りルフェンスティン、JLアレン、J。リヌド、D。フォスタヌ陞軍研究所2006。

[4] Geナノワむダを䜿甚した高容量リチりムむオン電池アノヌド

[5]液䜓媒䜓䞭のボヌルミル粉砕グラファむト/スズ耇合アノヌド材料。 Ke Wang 2007。

[6]リチりムむオン電池のアノヌドずしおの炭玠質混合物䞊の無電解めっきスズ化合物Journal of Power Sources 2009。

[7]リチりムむオン電池甚のSn-C耇合アノヌドぞのカヌボンシェルの圱響。 キアノレン他 Ionics 2010。

[8] Li Rech甚の新芏コアシェルSn-Cuアノヌド。 酞化還元トランスメタル化によっお調補されたバッテリヌが反応したす。 高床なマテリアル。 2010

[9]リチりムむオン電池のアノヌド材料ずしおのコア二重シェルSi @ SiO2 @ CナノコンポゞットLiwei Su et al。 ChemCom 2010。

[10]高容量リチりム電池電極甚に調敎された電子構造を持぀ポリマヌGao Liu et al。 前売 母校。 2011、23、4679–4683

[12]長いサむクル寿呜を備えたリチりムむオン電池アノヌド甚の盞互接続されたシリコン䞭空ナノスフェア。 ダン・ダオ他 Nano Letters 2011。

[13]リチりム二次電池甚の倚孔質Siアノヌド材料、Jaephil Cho。 J.メヌタヌ。 Chem。、2010、20、4009-4014

[14]リチりムむオン電池甚の電極—叀い問題を芋る新しい方法電気化孊䌚誌、155͑2͒A158-A163͑2008͒。

[15] ACCUMULATEURS FIXES、米囜特蚱8062556 2006



アプリ



電極構造の特別な堎合 



銅コヌティングCu @ Snを甚いたスズナノ粒子の実容量の掚定



この蚘事から、粒子1〜3mの䜓積比がわかりたす。









0.52は粉䜓の充填係数です。 したがっお、ホルダヌの埌ろの残りのボリュヌムは0.48です









ナノスフェア。 パッキング比。

ナノスフェアに䞎えられた䜎い䜓積容量は、内郚のスフィアが䞭空であるため、掻物質の充填係数が非垞に䜎いためです。



単玔な粉末の比范のために、それは0.1であっおも-0.5 ... 07




代謝反応のアノヌド。金属の酞化物。



間違いなく、Fe 2 O 3などの金属酞化物も有望なグルヌプに属しおいたす。理論容量が高いこれらの材料には、電極の掻性物質の離散性を高めるための゜リュヌションも必芁です。これに関連しお、ナノファむバヌなどの重芁なナノ構造が泚目されるでしょう。

酞化物は、電極の構造にリチりムを組み蟌み、陀倖する第䞉の方法を瀺しおいたす。グラファむト䞭のリチりムが䞻にグラフェン局間、シリコンを含む溶液䞭にある堎合、その結晶栌子に埋め蟌たれ、電極の基本金属ずゲストであるリチりムの間の酞玠亀換が発生しやすくなりたす。電極に酞化リチりムの配列が圢成され、䞻金属がマトリックス内でナノ粒子に成長したすたずえば、酞化モリブデンMoO 3 + 6Li + + 6e - <-> 3Li 2 O + Moずの反応を参照

盞互䜜甚のこの性質は、電極の構造内での金属むオンの容易な移動の必芁性を意味したす。高い拡散、これは埮粒子ずナノ構造ぞの移行を意味し



たす。異なるアノヌド圢態、䌝統的なものアクティブパりダヌ、グラファむトパりダヌ+ホルダヌに加えお電子通信を提䟛する方法ず蚀えば、導電剀ずしおの他の圢態のグラファむトを区別するこずができたす

䞀般的なアプロヌチは組み合わせですナノ粒子をグラフェンの「シヌト」䞊に盎接配眮できる堎合、グラフェンず䞻な物質は、䜜甚物質が膚匵するずきに導䜓および緩衝液ずしお機胜したす。この構造は、Co 3 O 4 [1] 778 mAh / gに察しお提案されたした。Fe 2 O 3 [1]の1100 mAh / gに䌌お

いたすが、グラフェンの密床が非垞に䜎いため、そのような゜リュヌションの適甚性を評䟡するこずさえ困難です。

別の方法は、グラファむトナノチュヌブの䜿甚です。ACDillon et al。 MoO 3の実隓では、800 mAh / g600 mAh / g * 1430 Ah / l *の高容量が5 wtホルダヌで瀺されおいたす[3]酞化アルミニりムずFe 3 O 4を䜿甚せずに50サむクルコヌティングした埌の容量損倱ホルダヌ安定千ミリアンペア時/ gの770 - 1000幎ああ/ L *図 右極现グラファむトチュヌブ5 wt癜のアノヌド/ Fe 2 O 3ナノファむバヌのSEM画像[3]

M x O y + 2yLi + + 2ye - <-> yLi 2 O + xM

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ナノファむバヌに぀いおの䞀蚀



最近、ナノファむバヌは、粒子間の良奜な結合を備えた倧きな掻性衚面を提䟛するため、特に有望な電池に特化した材料科孊出版物の出版物の最もホットなトピックの1぀ずなっおいたす。

圓初、ナノファむバヌは掻物質のナノ粒子の䞀皮ずしお䜿甚され、ホルダヌず導電剀ずの均䞀な混合物で電極を圢成しおいたした。

ナノファむバヌの充填密床の問題は、倚くの芁因に䟝存するため、非垞に耇雑です。そしお、明らかに、それは意図的に実際には点灯しおいたせん特に電極に関連しお。これだけでは、陜極党䜓の実際の指暙を分析するこずが困難になりたす。評䟡意芋を䜜成するために、著者は、バンカヌの干し草密床の分析に専念するRE Muck [4]の研究を䜿甚しようず詊みたした。ナノファむバヌのSEM画像から刀断するず、パッキング密床の楜芳的分析は30〜40であり

、過去5幎間で、集電䜓䞊でのナノファむバヌの盎接合成に泚目が集たっおおり、倚くの重倧な利点がありたす。

䜜業材料ず集電䜓の盎接接觊を提䟛し、電解質ずの接觊を改善し、グラファむト添加剀の必芁性を排陀したす。生産のいく぀かの段階がバむパスされ、䜜動物質の充填密床が倧幅に増加したす。

K. Chanらは、Geナノファむバヌのテストで、50サむクル埌の2Cで、䜎電力で1000mAh / g800Ah / l、800 → 550650 → 450 Ah / l *を埗たした[5]。同時に、Yanguang Liず共著者は、Co 3 O 4の倧容量ず巚倧なパワヌを瀺したした1100 → 800 mAh / g880 →640Ah / l *20サむクルおよび600 mAh / g480 Ah / l *埌、電流が20倍増加[6]



A. Belcher **の刺激的な䜜品を知るために、党員に個別に泚意しお掚奚する必芁がありたす。バむオテクノロゞヌの時代。

A. Belherは、バクテリオファヌゞりむルスを改倉するこずで、自然の生物孊的プロセスにより、宀枩でナノファむバヌを構築するこずができたした。このような繊維の構造的透明床が高いため、埗られる電極は環境にやさしいだけでなく、繊維パッケヌゞのパッキングず耐久性の倧幅な向䞊の䞡方を瀺したす[7] [8] [9]

結論に戻る



*-著者が蚈算した実容量の掚定倀付録を参照

**

アンゞェラベルチャヌ -優れた科孊者化孊者、電気化孊者、埮生物孊者。ナノファむバヌの合成ず、特別に掟生したりむルス培逊を䜿甚した電極ぞの順序付けの発明者

むンタビュヌを参照



アプリ



前述のように、アノヌドの充電は反応によっお発生したすが、



充電䞭の電極の膚匵の実際の指暙を瀺す文献は芋圓たらないため、可胜な限り小さな倉化で評䟡するこずを提案したす。぀たり、反応物ず反応生成物のモル䜓積の比によっおV Lihitatedは充電されたアノヌドの䜓積、V UnLihitatedは攟電されたアノヌドの䜓積金属ずその酞化物の密床はオヌプン゜ヌスで簡単に芋぀けるこずができたす。

蚈算フォヌラム MoO 3の蚈算䟋


























埗られた䜓積容量は連続的な掻性物質の容量であり、したがっお構造のタむプに応じお、掻性物質は材料党䜓の䜓積の異なる割合を占めるこずに留意する必芁があり、これはパッキング係数k pを導入するこずで考慮されたす。たずえば、粉末の堎合、50〜70です



[1]リチりム二次電池甚の高床に可逆的なCo3O4 /グラフェンハむブリッドアノヌド。 H.キム他CARBON 492011326-332

[2]リチりムむオン電池甚の高性胜アノヌド材料ずしおのナノ構造還元グラフェン酞化物/ Fe2O3耇合材料。 ACSNANO VOL。 4▪いいえ。 6▪3187–3194▪2010

[3]ナノ構造金属酞化物アノヌド。 ACディロン。 2010

[4]バンカヌサむレヌゞ密床の新しい芋方。 RE Muck。米囜酪蟲飌料研究センタヌマディ゜ン、りィスコンシン州マディ゜ン

[5] Geナノワむダを䜿甚した高容量リチりムむオン電池アノヌドK. Chan et。等 ナノレタヌズ2008 Vol。8、いいえ。1 307-309

[6]高い容量ずレヌト機胜を備えたリチりムむオン電池甚のメ゜ポヌラスCo3O4 ナノワむダアレむ。李uang光 等 ナノレタヌズ2008 Vol。8、いいえ。1,265-270

[7]リチりムむオン電池電極甚のナノワむダのりむルス察応合成およびアセンブリヌKi Tae Nam、Angela M. Belcher et al。www.sciencexpress.org / 2006幎4月6日/ペヌゞ1 / 10.1126 / science.11​​2271

[8]リチりムむオン電池甚のりむルス察応シリコンアノヌド。Xilin Chen等。ACS Nano、2010、49、pp 5366-5372。

[9]自己組立匏、柔軟、軜量リチりム電池MIT、Belcher Aのりむルス足堎US 006121346A1WO 2008124440A1



リチりムむオンHIT。陰極



リチりムむオン電池のカ゜ヌドは、䞻にリチりムむオンを受け取り、高電圧を䟛絊できる必芁がありたす。぀たり、静電容量ずずもに倚くの゚ネルギヌを䟛絊したす。



リチりムむオン電池のカ゜ヌドの開発ず生産の分野で興味深い状況が発生しおいたす。 1979幎、John GoodenoughずMizuchima Koichiは、LiMO2などの局構造を持぀Li-Ionバッテリヌのカ゜ヌドの特蚱を取埗したした。 [1] [2]

カ゜ヌドの重芁な芁玠は、

リンク、ブリッゞずしおの酞玠、および電子雲でリチりムを「捕たえる」こずです。

遷移金属すなわち、原子䟡d軌道を持぀金属、異なる結合数の構造を圢成できるため。最初のカ゜ヌドは硫黄TiS 2 [5] [6]を䜿甚しおいたしたが、その埌、よりコンパクトで、最も重芁な電気陰性元玠である酞玠に切り替わり、金属ずほが完党にむオン結合したす。LiMO 2*の局構造は最も䞀般的であり、すべおの開発は3぀の候補M = Co、Ni、Mnを䞭心にカヌルされ、非垞に安䟡なFeを垞に探しおいたす。

フェ Mn ニ Co
地殻の含有量ppm 50,000 950 75 25
垂堎䟡倀$ / kg 0.23 0.5 13 25
空気䞭のMACmg / m 3 10 5 1 0.1
氎䞭のMACmg / l 300 200 13.4 0.7


コバルトは、倚くのこずにもかかわらず、オリンパスを即座に捕捉し、それを保持したすカ゜ヌドの90。しかし、140 mAh / gからの局状構造の高い安定性ず芏則性により、電圧範囲の拡倧によりLiCoO 2容量は160-170 mAh / gに増加したした。しかし、地球は垌少であるため、Coは高䟡すぎるため、その玔粋な圢での䜿甚は、たずえば携垯電話などの小さなバッテリヌでしか正圓化できたせん。垂堎の90は、最初の、そしお今日でも、最もコンパクトなカ゜ヌドで占められおいたす。

ニッケルは有望な材料であり、高い190mA / gを瀺しおいたすが、安定性がはるかに䜎く、Niの玔粋な圢の局状構造です存圚したせん[5]。LiNiO 2からLiを抜出するず、LiCoO 2 [3]の玄2倍の熱が発生するため、この領域での䜿甚は受け入れられたせん。

マンガン。別のよく研究された構造は、1992幎に発明されたものです。 Jean-Marie Tarasco [4]、スピネル型マンガン酞化物LiMn 2 O 4のカ゜ヌドわずかに䜎い容量では、この材料はLiCoO 2およびLiNiO 2よりもはるかに安䟡です。そしおはるかに信頌できる。今日では、ハむブリッド車に適しおいたす。最近の開発は、ニッケルずコバルトの合金化に関連しおおり、その構造特性が倧幅に改善されおいたす。 Niず電気化孊的に䞍掻性なMgLiNi 1-y Mg y O 2ずの合金化䞭の安定性の倧幅な改善も認められたした。リチりムむオンカ゜ヌド甚の倚くのLiMn x O 2x合金が知られおいたす。

基本的な問題は、容量を増やす方法です。スズずシリコンの䟋で、容量を増やす最も明癜な方法は呚期衚を䞊に移動するこずであるこずを既に芋たしたが残念ながら、珟圚䜿甚されおいる遷移金属の䞊には䜕もありたせん右図。したがっお、カ゜ヌドに関連する近幎のすべおの進歩は、䞀般に、既存のものの欠点の陀去に関連しおいたす耐久性の向䞊、品質の向䞊、それらの組み合わせの研究䞊巊

鉄。リチりムむオン時代のごく初期から、陰極に鉄を䜿甚するための倚くの詊みが行われおきたしたが、䜕の圹にも立ちたせん。がLiFeO 2は、理想䜎コストの陰極ず匷力になり、それが瀺されおいる[7] Liが正垞電圧範囲内に構造から陀去するこずができない[8]。この状況は、かんらん石のE / Xプロパティにシス付着しお、1997幎に劇的に倉化したLiFePO 4。倧容量170 mAh / gリチりムアノヌドで玄3.4V、数癟サむクル埌でも静電容量の深刻な䜎䞋がない。かんらん石の長い間の䞻な欠点は、導電率が䜎いこずで、これにより電力が著しく制限されおいたした。状況を修正するために、グラファむトを含むゲルを䜿甚しお叀兞的な動きが行われたしたグラファむトでコヌティングされた研削。800サむクルで120mAh / gで高出力を達成するこずができたした。 Nbのわずかなドヌピングにより、非垞に倧きな進歩が達成され、導電率が8桁増加したした。

すべおが、オリビンが電気自動車の最も人気のある玠材になるこずを瀺唆しおいたす。LiFePO 4の独占所有暩に぀いおA123 Systems Inc.は長幎蚎蚟を起こしおきたした。 BlackDecker Corpは、圌が電気自動車の未来であるず信じおいるわけではありたせん。驚くこずはありたせんが、特蚱はすべおカ゜ヌドの同じキャプテン-ゞョン・グッドむナフで発行されおいたす。

オリビンは安䟡な材料を䜿甚する可胜性を蚌明し、䞀皮のプラチナを突砎したした。工孊的思考はすぐに圢成された空間に突入したした。そのため、䟋えば、硫酞塩をフルオロリン酞塩で眮き換えるこずが掻発に議論されおおり、これにより電圧が0.8 V増加したす。゚ネルギヌず電力を22増やしたす[9]。

おもしろいかんらん石を䜿甚する暩利をめぐる論争がある間、私は結論に戻っお、新しい陰極に芁玠を提䟛しおいる倚くのノヌネヌムメヌカヌに出䌚いたした





*これらの化合物はすべお、リチりムのみで安定しお存圚したす。そしお、それに応じお、すでにそれで飜和状態が䜜られおいたす。したがっお、それらに基づいおバッテリヌを賌入する堎合は、最初にアノヌドのリチりムの䞀郚を远い越しおバッテリヌを充電する必芁がありたす。

**リチりムむオン電池のカ゜ヌドの開発を理解するず、それを2぀の巚人、John GoodenoughずJean-Marie Tarascoの決闘ず芋なすようになりたす。 1980幎にグデナフが最初に成功したカ゜ヌドLiCoO 2の特蚱を取埗したしたが、12幎埌にトラスコ博士が応答したしたMn 2 O 4。アメリカ人の2番目の基本的な成果は、1997幎LiFePO 4、そしお過去10幎の半ばに、フランス人はLiFeSO 4 Fを導入するこずでアむデアを拡倧し、完党有機電極の䜿甚に取り組んでいたす

[1] Goodenough、JB;ミズチマ、KUS特蚱4,302,518、1980。

[2] Goodenough、JB;氎島、KUS特蚱4,357,215、1981。

[3]リチりムむオン電池の科孊ず技術。吉尟正暹、Ralph J. Brodd、小柀明也

[4] LiMn2 O4局間化合物の調補方法ずリチりム二次電池での䜿甚方法。バヌブヌ;フィリップ・ショヌクヌヒ;フラフK.、タラスコン;ゞャン=マリヌBell Communications Research、Inc. 1992米囜特蚱5,135,732。

[5]リチりム電池およびカ゜ヌド材料。 M.スタンレヌ・りィッティンガム・ケム。牧垫2004、104、4271-4301

[6]化孊量論的二硫化チタンりィッティンガムのカ゜ヌドを備えた充電匏電気化孊セル。 M.スタンリヌ。米囜特蚱4,084,046 1976

[7] Kanno 、R。癜根、T .;皲葉裕子;川本、YJ Powers 1997、68、145。

[8]リチりム電池ずカ゜ヌド材料。 M.スタンレヌ・りィッティンガム・ケム。牧垫2004、104、4271–4301

[9]リチりムむオン電池甚の3.6 Vリチりムベヌスのフルオロ硫酞塩挿入正極。 N.レチャム1、JN。 Chotard1、L。Dupont1、C。Delacourt1、W。Walker1,2、M。Armand1およびJM。タラスコン。自然玠材2009幎11月。





アプリ





カ゜ヌド容量は、䟋えばグルヌプ、物質の重量で抜出した最倧電荷ずしお再床決定される

リチりム1のx MO 2 +のLi + +電子- ---> Liがxは MO 2



のための䟋のCo



の抜出床でのLi X = 0.5容量物質意志



珟時点では、補造 プロセスの改善により、抜出の皋床が増加し、160mAh / gに達したしたが

、もちろん、垂堎に出回っおいるほずんどの粉末はこれらの指暙に達しおいたせん




.

. , , : , , , 1 kWh 387 kWh . , , (70-100 kg CO 21 kWh。さらに、珟代の消費瀟䌚では、財が枯枇するたで財は䜿甚されたせん。぀たり、この゚ネルギヌロヌンを「撃退」する時間は短く、最新のバッテリヌの凊分は高䟡であり、垞に手頃な䟡栌の運動ではありたせん。したがっお、珟代のバッテリヌの゚ネルギヌ効率は䟝然ずしお疑問です[1]。

最近、宀枩で電極を合成できるいく぀かの有望なバむオテクノロゞヌが登堎したした。 A.ベルチャヌりむルス、J.M。タラスコ现菌の䜿甚。



そのような有望な生䜓材料の優れた䟋は、リチりム化されたオキ゜カヌボン-Li 2 C 6 O 6リチりムラゞゟン酞塩[2]は、匏ごずに最倧4぀のLiを可逆的に収容する胜力を持ち、倧きな重量容量を瀺したしたが、修埩はパむ結合に関連しおいるため、わずかに䜎い電䜍2.4 Vです。他の芳銙環[2]も正極の基瀎ず芋なされ[2]、バッテリヌの倧幅な軜枛が報告されおいたす。

すべおの有機化孊は軜元玠C、H、O、およびNを扱うため、有機化合物の䞻な「欠点」は䜎密床です。。この分野がどれほど有望かを理解するには、これらの物質はリンゎやトりモロコシから入手でき、簡単に利甚および加工できるず蚀うだけで十分です。

ラゞゟン酞リチりムは、限られた電流密床電力でない限り、自動車産業にずっお最も有望なカ゜ヌドであり、䜎密床材料䜎容量ではない堎合、ポヌタブル電子機噚にずっお最も有望であるずすでに考えられおいたす巊図。それたでの間、これは最も有望な䜜業分野の1぀にすぎたせん。

結論に戻る



[1]たずえば、Hybrid vs disel

[2] Morshi Yasushi et al。Nature Mat。10,947–9512011





もちろん、䜕かは非垞に衚面的に説明されおおり、完党に正しいわけではないかもしれたせんが、興味のある

すべおの芋通しを抂説するには十分です


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