リチウム電池の開発と構造

リチウム電池は20世紀に成功裏に開発された新しいタイプの高エネルギー電池です。「カーボンニュートラル」や「カーボンピーク」の提唱により、リチウム電池はあらゆる業界から注目を集めています。本日は、CHNLがリチウム電池の開発と構造についてご案内します。

リチウム電池の紹介

リチウム電池はリチウム元素（金属リチウム、リチウム合金、リチウムイオン、リチウムポリマーを含む）を含む電池と理解でき、リチウム金属電池（非常に稀に生産・使用される）とリチウムイオン電池（現在多く使用されている）に分けられます。高い比エネルギー、高い電池電圧、広い動作温度範囲、長い保存寿命のため、携帯電話、携帯型コンピューター、ビデオカメラ、カメラなどの軍事および民生用小型電気機器に広く使用され、従来の電池の一部を置き換えています。

リチウム電池の起源と発展

1970年代、エクソンのM.S.ウィッティンガムは硫化チタンを正極材料、金属リチウムを負極材料として最初のリチウム電池を作りました。
1980年、J.グッドイナフはリチウムコバルト酸化物がリチウム電池の正極材料として使用できることを発見しました。

1982年、イリノイ工科大学のR.R.アガルワルとJ.R.セルマンはリチウムイオンがグラファイトに挿入される特性を持ち、この過程が速く可逆的であることを発見しました。同時に、金属リチウム製のリチウム電池の安全上の危険性が注目されました。したがって、人々はグラファイトに埋め込まれたリチウムイオンの特性を利用して充電可能な電池を作ろうと試みました。最初の実用的なリチウムイオングラファイト電極はベル研究所で試作に成功しました。

1983年、M.サッカレイ、J.グッドイナフらはマンガンスピネルが優れた正極材料であり、低価格、安定性、優れた導電性とリチウム導電性を持つことを発見しました。その分解温度は高く、酸化性はリチウムコバルト酸化物よりもはるかに低いです。短絡や過充電があっても、燃焼や爆発の危険を回避できます。
1991年、ソニーは最初の商用リチウム電池を発売しました。その後、リチウム電池は消費者向け電子機器の様相を一変させました。

1996年、パディとグッドイナフはオリビン構造を持つリン酸塩、例えばリチウム鉄リン酸塩（LiFePO4）が従来の正極材料より優れていることを発見し、現在の主流の正極材料となりました。
リチウムイオン電池（Li-ion Batteries）はリチウム電池から発展しました。したがって、Li-ionを紹介する前に、まずリチウム電池を紹介します。例えば、ボタン電池はリチウム電池です。リチウム電池の正極材料は二酸化マンガンまたはチオニル塩素で、負極はリチウムです。電池が組み立てられた後、電池は電圧を持ち、充電を必要としません。この種の電池も充電可能ですが、サイクル性能は良くありません。充放電サイクル中にリチウム樹枝状結晶が形成されやすく、電池内部の短絡を引き起こすため、一般的にこの種の電池は充電禁止です。

その後、日本のソニー株式会社は負極に炭素材料、正極にリチウム含有化合物を用いたリチウム電池を発明しました。充放電過程で金属リチウムは存在せず、リチウムイオンのみです。これがリチウムイオン電池です。
1990年代初頭、日本のソニーエナジー開発株式会社とカナダのモリエナジー社は新しいリチウムイオン電池の開発に成功し、性能が良いだけでなく環境汚染もありません。情報技術、携帯機器、電気自動車の急速な発展に伴い、高効率電源の需要が急増し、リチウム電池は最も急成長している分野の一つとなりました。

リチウム電池の構造

リチウム電池の主な構成要素：
(1) 正極 - 活性材料は主にリチウムコバルト酸化物、リチウムマンガネート、リチウム鉄リン酸塩、リチウムニッケレート、リチウムニッケルコバルトマンガネートなど。導電性集電体は一般的に厚さ10～20ミクロンのアルミ箔を使用；
(2) セパレーター - リチウムイオンは通すが電子絶縁体である特殊なプラスチックフィルム。現在は主にPEとPPおよびその組み合わせ。無機固体セパレーターもあり、例えばアルミナコーティングは無機固体セパレーターの一種；

(3) 負極 - 活性材料は主にグラファイト、リチウムチタネート、または類似のグラファイト構造を持つ炭素材料で、導電性集電体は一般的に厚さ7～15ミクロンの銅箔を使用；
(4) 電解液 - 一般的に有機系で、リチウムヘキサフルオロリン酸塩を溶解したカーボネート溶媒、ポリマー電池の一部はゲル電解液を使用；
(5) 電池ケース - 主にハードケース（鋼ケース、アルミケース、ニッケルメッキ鉄ケースなど）とソフトケース（アルミプラスチックフィルム）に分かれる。

充電時にはリチウムイオンが正極から脱挿入され負極に挿入され、放電時はその逆です。これには組み立て前にリチウム挿入状態の電極が必要です。一般的に、リチウムに対して3V以上の電位を持ち空気中で安定なリチウム挿入遷移金属酸化物が正極に選ばれ、例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4など。
負極材料としては、リチウム電位にできるだけ近い電位を持つ挿入可能なリチウム化合物が選ばれ、天然グラファイト、合成グラファイト、炭素繊維、メソフェーズ球状炭素などの各種炭素材料や、SnO、SnO2、スズ複合酸化物SnBxPyOz（x=0.4～0.6、y=0.6～0.4、z=(2+3x+5y)/2）などの金属酸化物が含まれます。
電解液はLiPF6エチレンカーボネート（EC）、プロピレンカーボネート（PC）、低粘度ジエチルカーボネート（DEC）などのアルキルカーボネートの混合溶媒系を採用しています。

セパレーターはPE、PPまたはそれらの複合フィルムなどのポリオレフィン多孔質フィルムを採用し、特にPP/PE/PP三層セパレーターは低融点でありながら高い耐穿刺性を持ち、熱的保険の役割を果たします。
外殻は鋼またはアルミ製で、カバー組立は防爆および電源遮断の機能を持ちます。
以上が本日のリチウム電池に関する内容です。1970年のリチウム電池誕生以来、急速に発展してきました。リチウム電池は私たちの生活のあらゆる面に浸透しており、今後も巨大な発展の可能性があります。
上記の内容が皆様のお役に立てれば幸いです。さらなる情報は継続的に更新していきますので、次回号でお会いしましょう。