6秒リチウム電池の容量の理由は理解するための公式です！

6sリチウム電池は、ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池に次ぐ最も急速に成長している二次電池です。その高エネルギー特性により、将来は明るいものと期待されています。しかし、6sリチウム電池は完璧ではなく、最大の問題は充放電サイクルの安定性です。本稿では、6sリチウム電池の容量低下の可能性のある原因として過充電をまとめて分析します。

6sリチウム電池容量バランス

6sリチウム電池は、両極間でインターカレーション反応が起こる際に異なるインターカレーションエネルギーを持ち、電池の最良の性能を得るためには、両ホスト電極の容量比をバランスの取れた値に維持する必要があります。
6sリチウム電池において、容量バランスは正極と負極の質量比、すなわちγ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+として表されます。
上記の式において、Cは6sリチウム電池電極の理論的クーロン容量を指し、ΔxおよびΔyはそれぞれリチウム電極の負極および正極に埋め込まれたリチウムイオンの化学量論的数を指します。上記の式から、両極の必要な質量比は両極の対応するクーロン容量とそれぞれの可逆リチウムイオンの数に依存することがわかります。

6sリチウム電池の容量不均衡の影響

一般的に、質量比が小さいと負極材料の利用が不完全になり、質量比が大きすぎると負極の過充電による安全上の危険が生じる可能性があります。要するに、最適化された質量比で6sリチウム電池の電極性能が最良となります。
理想的なリチウムイオン電池システムでは、サイクル中に容量バランスは変化せず、各サイクルの初期容量は一定ですが、実際ははるかに複雑です。リチウムイオンや電子を生成または消費する副反応は、6sリチウム電池の容量バランスの変化を引き起こす可能性があります。一度容量バランス状態が変化すると、その変化は不可逆的で複数のサイクルを通じて蓄積され、6sリチウム電池の性能に深刻な影響を与えます。6sリチウム電池では、リチウムイオンの脱インターカレーション時の酸化還元反応に加え、電解液分解、活物質溶解、金属リチウム析出など多くの副反応が存在します。

6sリチウム電池の容量不均衡の原因：過充電

1. グラファイト負極の過充電反応：
電池が過充電されると、リチウムイオンは容易に還元されて負極表面に析出します。
析出したリチウムは負極表面を覆い、リチウムのインターカレーションを妨げます。これにより、放電効率の低下と容量損失が生じます。

① リサイクル可能なリチウムの量を減少させます。
② 析出した金属リチウムは溶媒や支持電解質と反応してLi2CO3、LiFまたはその他の生成物を形成します。
③ 金属リチウムは通常、負極とセパレーターの間に形成され、セパレーターの孔を塞ぎ、電池の内部抵抗を増加させる可能性があります。

④ リチウムは非常に活性が高いため、電解液と反応しやすく電解液を消費し、放電効率の低下と容量損失を引き起こします。
急速充電では、電流密度が大きすぎて負極が著しく分極し、リチウムの析出がより顕著になります。これは正極活物質が負極活物質に対して過剰な場合に起こりやすいです。しかし、高速充電の場合、正負活物質の比率が正常でも金属リチウムの析出が起こることがあります。

2. 正極の過充電反応
正極活物質と負極活物質の比率が低すぎると、正極の過充電が起こりやすくなります。
正極の過充電による容量損失は、主に電気化学的に不活性な物質（Co3O4、Mn2O3など）の生成によるもので、これが電極間の容量バランスを破壊し、容量損失は不可逆的です。
(1) LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4
同時に、密閉された6sリチウム電池内で正極材料の分解により発生した酸素は、再結合反応（例えばH2Oの生成）がないために蓄積し、電解質の分解によって発生する可燃性ガスとともに、想像を絶する結果をもたらします。
(2) λ-MnO2
リチウムマンガン酸化物が完全にリチウム脱離するとリチウム-マンガン反応が起こります：λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. 過充電時の電解質の酸化
圧力が4.5Vを超えると、電解質は酸化して不溶物（例えばLi2Co3）やガスを生成します。これらの不溶物は電極の微細孔を塞ぎ、リチウムイオンの移動を妨げ、サイクル中の容量損失を引き起こします。
酸化速度に影響を与える要因：
正極材料の表面積
集電体材料
添加された導電剤（カーボンブラックなど）
カーボンブラックの種類と表面積
より一般的に使用される電解質の中で、EC/DMCは最も高い酸化耐性を持つと考えられています。溶液の電気化学的酸化過程は一般に次のように表されます：溶液→酸化生成物（気体、溶液および固体）＋ne-

いかなる溶媒の酸化も電解質濃度を増加させ、電解質の安定性を低下させ、最終的に電池の容量に影響を与えます。充電のたびに少量の電解質が消費されると仮定すると、電池組立時にはより多くの電解質が必要となります。一定の容器の場合、これは活性物質の搭載量が少なくなることを意味し、初期容量の低下を招きます。さらに、固体生成物が生成されると、電極表面に不動態膜が形成され、電池の分極が増加し、電池の出力電圧が低下します。

以上が本日お届けする6sリチウム電池の容量バランスに関する全内容です。6sリチウム電池は、2つの電極間でのインターカレーション反応時に異なるインターカレーションエネルギーを持ち、電池の最適な性能を得るために、2つのホスト電極は異なるインターカレーションエネルギーを持っています。容量比はバランスの取れた値に保つべきであり、質量比が小さすぎると負極材料の利用が不完全になり、質量比が大きすぎると負極の過充電による安全上の危険が生じる可能性があります。最適化された質量比では、6sリチウム電池の電極性能が最良となります。6sリチウム電池の容量不均衡の主な原因は過充電です。
今日の内容があなたのお役に立てば幸いです。さらなる情報は継続的に更新されますので、次号でお会いしましょう。