リチウムイオン電池は、多くの電化製品で使用される高性能のエネルギー貯蔵デバイスです。 比較的少量で大量のエネルギーを保存できます。 以前は、メモリ効果がないと広く信じられていました。 そのため、専門家は、充電または放電が不完全であるためにバッテリーの動作電圧が変動し、その結果、蓄えられたエネルギーの一部しか利用できず、バッテリーの充電レベルを正確に判断できないと呼びます。 ポールシェラー研究所の科学者は、 日本のトヨタ研究所の同僚と一緒に、広く使用されているタイプのリチウムイオン電池がメモリ効果を持っていることを発見しました。 この発見は、電気自動車市場でのリチウムイオン電池の使用において特に重要です。 この研究は2013年4月14日に科学雑誌Nature Materialsに掲載されました。
私たちの日常のバッテリー駆動のデバイスの多くは、宣伝されているように、常に「スマート」であるとは限りません。 たとえば、完全に放電される前に充電する電動シェーバーまたは電動歯ブラシは、後でユーザーに復venする場合があります。 バッテリーは、容量の一部しか使用していないことを思い出します-そして、最終的に、バッテリーは完全なエネルギーを放出しなくなります。 専門家はこれを「メモリー効果」と呼びます。これは、充放電サイクルが不完全であるためにバッテリーの動作電圧が時間とともに低下するという事実によって説明されます。 つまり、バッテリーはまだ放電されていませんが、供給される電圧が低すぎてデバイスを動作状態に保つことができない場合があります。 その結果、メモリ効果には2つのマイナスの結果があります。第1に、バッテリーの有効容量が減少し、第2に、電圧と充電状態の相関が変化するため、後者は電圧に基づいて確実に決定できません。 ニッケルカドミウム電池とニッケル水素電池にはメモリ効果が存在することが長い間知られています。 1990年代にリチウムイオン電池の販売が成功し始めて以来、このタイプの電池にメモリ効果が存在することは除外されています。 この新しい研究は、意見が間違っていたことを示しています。
ペトル・ノバク教授
電気化学エネルギー貯蔵セクションの責任者、およびこの研究の共著者。 出典：Scanderbeg Sauer Photography。
電気自動車およびハイブリッド車に対するメモリ効果の影響
リチウムイオン電池の正極として使用される最も一般的な材料の1つであるリン酸鉄リチウム（LiFePO4）で、異常な動作電圧に関連するメモリ効果と異常がすでに確認されています。 リン酸鉄リチウムを使用すると、電圧は充電状態の広い範囲で実質的に変化しません。 これは、動作電圧のわずかな異常であっても、（充電の大幅な変化として）誤解される可能性があることを意味します。 または、別の言い方をすれば、充電状態が電圧によって決定されるとき、大きな誤差は電圧の小さな偏差によって引き起こされる可能性があります。 記憶効果の存在は、電気輸送部門でのリチウムイオン電池の使用を考慮した場合に特に重要です。 特にハイブリッド車では、通常の動作中に発生する多くの充電/放電サイクルにより、効果が生じる場合があります。 このような車両では、バッテリーはエンジンブレーキ中および発電機モードでの動作中に部分的に充電されます。 そして次に、加速段階で放電され、通常は部分的にのみ放電されます。 この新しい研究が示すように、部分的な充電と放電の多数の連続したサイクルにより、個々の小さなメモリ効果がより大きなメモリ効果に追加されます。 これは、充電状態が現在の電圧値に基づいて計算される場合、バッテリーの現在の充電状態を評価する際にエラーにつながります。
メモリ効果が発生する理由
研究者は、リチウムイオン電池のメモリ効果の主な原因として、充放電プロセス中に発生する微視的メカニズムを強調しています。 電極材料（この場合、リン酸鉄リチウム（LiFePO4））は、多数の小さなミクロンサイズの粒子で構成され、粒子は次々に個別に充電および放電されます。 研究者は、この充放電モデルを「多粒子モデル」と呼んでいます。 粒子ごとの帯電が起こり、リチウムイオンの放出が含まれます。 完全に帯電した粒子はリチウムイオンを含まず（リチウムを含まず）、リン酸鉄（FePO4）のみで構成されます。 放電では、粒子の組成にリチウム原子が再導入されるため、リン酸鉄（FePO4）が再びリン酸鉄リチウム（LiFePO 4）になります。 充電および放電に関連するリチウムの量の変化は、個々の粒子の化学ポテンシャルの変化を引き起こし、それがバッテリー電圧の変化につながります。 ただし、充電と放電は線形プロセスではありません。 充電中、化学ポテンシャルが最初に増加し、リチウムイオンが徐々に放出されます。 しかし、その後、粒子は重要なリチウム含有量（リチウム含有量）に達し、それに応じて化学ポテンシャルに達します。 この時点で、急激な遷移が発生します。粒子は残りのリチウムイオンを非常にすばやく放棄しますが、化学ポテンシャルは変化しません。 この移行期間は、バッテリー電圧が広範囲にわたって実質的に変化しない理由を説明します（電圧プラトー-電圧プラトー）。
スケジュールNo.1の説明
バッテリーの「メモリー」効果は、部分充電（この場合はバッテリー容量の50％）のサイクルで発生し、その後完全に放電します。 次の充電では、メモリ効果は、前の部分充電サイクルが終了した同じポイントでの過電圧（小さな「バンプ」）として表されます。 比較のために、通常の電圧曲線のグラフ（右端）。 出典：Nature Publishing Group
「金持ち」と「貧乏人」の間の障壁
この潜在的な障壁の存在は、記憶効果の発現に不可欠です。 最初の粒子が電位障壁を越えてリチウムを含まなくなると、電極の粒子は2つのグループに分けられます。 言い換えれば、現在、リチウムに富む粒子とリチウムに乏しい粒子の間には明確な区別があります。 バッテリーが完全に充電されていない場合、バリアを通過していない特定の量のリチウムに富む粒子が戻ります。 これらの粒子は、この状態が不安定であり、「斜面を滑り降りる」、つまり化学ポテンシャルが低下するため、長時間バリアの端にとどまりません。 バッテリーが再び放電され、すべての粒子がバリアの前の「休憩」に行く場合でも、この2つのグループへの分離は維持されます。 重要なポイント：次の充電プロセス中に、最初のグループ（リチウムが少ない粒子）は最初のグループの障壁を克服し、2番目のグループ（リチウムが豊富な）は「遅れ」ます。 「遅延」グループが障壁を克服するには、化学ポテンシャルを高める必要があります。これが、メモリ効果を特徴付ける「バンプ」をグラフに引き起こすものです。 したがって、メモリー効果は、粒子集団を2つのグループに分離した結果であり、電位障壁を通過する粒子の「ジャンプ」に次々と続く非常に異なるリチウム濃度を持ちます。 効果が顕著であるこの過電圧は、部分充電後に遅延粒子を電位障壁を通して移動させるために行わなければならない追加の作業に等しくなります。
スケジュールNo. 2の説明
メモリ効果の根底にある微視的なメカニズムは、「多粒子モデル」に従います。 粒子はリチウムイオンを放出するため、最初は粒子の化学ポテンシャルが徐々に増加します（図B）。 粒子がポイントB（化学ポテンシャル障壁）に達すると、粒子は残りのリチウムイオンを捨て始め、完全に帯電します（図C）。 粒子はバリアを次々と通過しますが、すべて同時に通過するわけではありません。 部分的な帯電後、一部の粒子はバリアの前面に戻ります（図D）。 次に、これらの粒子は「斜面を滑り落ちる」ため、熱力学的平衡が回復します。 現在、リチウムに富む粒子とリチウムに乏しい粒子の境界が確立されました。 この分離は、バッテリーが完全に放電した後でも維持されます（図Eおよびf）。 次の充電サイクル中に、このグループのリチウム欠乏粒子はバリアを通過します。 バリアを介してリチウム欠乏粒子の2番目の「遅延」グループを移動するには、追加の作業を行う必要があります。 これは、メモリ効果の指標である過電圧として表されます。 出典：Nature Publishing Group
この効果を排除するには一時停止が必要です。
バッテリーの充電と放電の間に経過する時間は、これらのプロセスの最後にバッテリーの状態を決定する上で重要な役割を果たします。 充電と放電は、バッテリーの熱力学的平衡を変化させるプロセスであり、この平衡はしばらくしてから達成できます。 科学者は、十分に長いアイドルストロークを使用してメモリ効果を除去できることを発見しました。 ただし、複数の粒子のモデルによると、これは特定の条件下でのみ発生します。 メモリ効果は、部分充電サイクルとそれに続く完全放電の間の十分に長い中断の後にのみ消えます。 そのような場合、完全な放電後も粒子のグループは分離されますが、潜在的な障壁の同じ側にあります。 したがって、粒子がすべて同じリチウム含有量を有する平衡状態に達すると、分離は消失します。 メモリー効果を防ぐには、部分充電の後、放電が不完全になるまで待つ必要があります。 この場合、粒子は潜在的な障壁の反対側にあり、これにより、「リチウムが豊富な」と「リチウムが不足している」への逆分離が防止されます。
PSIのPSI電気化学エネルギー貯蔵セクションの責任者であり、この出版物の共著者であるPetr Novak氏によると、この研究は定評のある誤解に反論しています。バッテリー。 これは、同様の効果が発生しないという仮定にすぎません。」 反射とハードワークの組み合わせは、多くの場合、研究を通じて知識を得るのに役立ちます。 効果は実際にはわずかです。相対的な電圧偏差は、1000個あたり数個の粒子です。 しかし、鍵は一般的にそれを見つけるというアイデアでした。 通常のバッテリーテストでは、通常、部分的な充電/放電サイクルではなく、完全なサイクルを調べます。
しかし、この最近の発見は、自動車でのリチウムイオン電池の将来の使用に対する最後の言葉ではありません。 バッテリー管理システムのソフトウェアをスマートに適応させることで、その効果を検出し、考慮に入れることは実際に可能です。 成功した場合、メモリ効果は、電気自動車でのリチウムイオン電池の信頼性の高い安全な使用を妨げません。 そのため、現在、エンジニアは、ある種のバッテリーメモリで適切な治療法を見つけるという問題に直面しています。
テキスト：レオニードレイバ
ここで説明する複数の粒子のモデルに従って、バッテリーの充電と放電は粒子ごとに発生すると想定されています。 この文脈では、粒子とは、一種の「粒」を意味します。 これは、材料（LiFePO4）が1つではなく、結晶構造が同じである粒体のセットで構成されているが、粒体のサイズ、形状、または方向にわずかな違いがあることを意味します。 これは典型的な粉末構造です。 技術的な観点から、それらは微結晶と呼ばれます。 これは、同じサイズの立方体が横に並んでいると想像できます。 各キューブは、その隣のキューブに対してわずかに回転します。つまり、キューブは厳密には整列していませんが、結晶構造（六角形の形状）はすべての人にとって同じです。
PS
招待してくれたMithgolに感謝します。
翻訳者から：一部の文は理解するのが非常に難しい（初めて読むとき）ため、それらを再定式化および簡略化しようとしましたが、この場合意味が歪むのではないかと心配しました。 したがって、私はそれらをそのまま残しました。
より有能な翻訳の提案があれば、喜んで修正します。