リチウムイオン。 リチウムイオン電池

バッテリー

リチウムイオン

リチウムイオン電池とは、リチウムイオンによって充電や放電を行うである。 二次電池とは充電を繰り返してでも使える電池のことで、これに対して使い捨て電池を一次電池という。 リチウムイオン電池のには、リチウムイオンを可逆的に出し入れできる材料が使われる。 負極 -極 の材料としては炭素系素材、とくにグラファイト系素材が主流である。 電極間でのリチウムイオンのやり取りを担うため、電池内部はの電解質で満たされている。 最近ではゲル状の高分子電解質を利用したが開発されている。 リチウムイオン電池は、1980年代、やなど携帯電子機器の開発に伴い、従来の鉛蓄電池やニカド電池より小型、軽量で高容量な二次電池のニーズが高まるなかで開発され、90年代に入って実用化された。 現在実用化されている二次電池のなかで、リチウムイオン電池は、同じ大きさで約3倍の電圧が得られ、継ぎ足し充電にも耐え、自己放電も少ないという優位性があり、携帯電子機器のとして適している。 継ぎ足し充電ができるのは、放電しきらないで充電すると充電容量が減ってしまうメモリー効果がほとんどないためである。 更には、高速充電が可能で、幅広い温度帯で安定して放電するといった特徴があり、やハイブリッド自動車、米政府が導入するF35戦闘機や人工衛星にも使用されている。 一方、欠点としては満充電状態で保存すると急激に劣化し、充電容量が大幅に減ることで、携帯電話用の電池では劣化に伴い膨潤することがある。 また、過充電や過放電により電極が激しくし、破裂したり発火したりする危険性がある。 これを防ぐため、リチウムイオン電池には、電圧などを厳密に管理する制御回路と過充放電を防ぐ保護機構が必要となる。 大型リチウムイオン電池を民間航空機として初めて搭載したボーイング787型機では、2013年1月、電池から発火する事故が相次ぎ、米国連邦航空局、日本の国土交通省始め各国の関連当局は、電池システムの改修が完了するまで同機の運航を禁止した。 同機に搭載の電池は、京都に本社を置く株式会社GSユアサ製。 ただし、同社の電池が事故の本質的原因かどうかは明らかになっていない 2013年1月末時点。 葛西奈津子 フリーランスライター / 2013年 出典 株 朝日新聞出版発行「知恵蔵」 知恵蔵について の解説 金属リチウムを負極に用いず,正極および負極の両者ともリチウムを含む化合物を用いた.1991年,日本ではじめて実用化された.この電池は軽量で,エネルギー密度が高いため,ノートパソコン,携帯電話などの携帯機器用の電源として幅広く用いられている.一般に使用されているリチウムイオン電池では,負極に黒鉛を代表とする炭素材料,正極にリチウムコバルト酸化物,電解液にリチウム塩を有機溶媒に溶解した有機電解液が使用され,平均放電電圧は3. 6~3.

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③知ってる?リチウム電池は「イオン」の有無で大違い

リチウムイオン

リチウムイオン電池を長持ちさせる方法 リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや搭載電池、などの採用されています。 二次電池の中で性能を比較したとしても、個人で使用する場合や独立型電源()などで使用する場合はリチウムイオン電池が最も適しているといえるでしょう(リチウムイオン電池の課題としては、の急増などからわかるようにの危険性(安全性)であるといえます。 ) IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増していきますが、リチウムイオンバッテリーの寿命を伸ばすにはどのような貯蔵方法を行うと良いのでしょうか? こちらのページでは、iphoneやAndroidのスマホバッテリーや家庭用蓄電池など多くの家電製品に使用されているリチウムイオン電池を長持ちさせる方法(使い方)について解説しています。 順を追って、この理由を解説します。 商品化されている多くのリチウムイオン電池の負極には炭素系材料、特にが多く使用されています。 電池を組み付けた後に、電池として機能させるために初回の充電を行うのですが、充電に伴いリチウムイオンが黒鉛層間に挿入される際、負極-電解液界面で電解液が分解しという薄い層が黒鉛の表面に作られます。 SEIにより電解液の分解の大部分は抑制されるのですが、速度論的に抑制されているだけであるため、非常に速度は遅いですが電解液の分解(電解液中の成分ECとリチウムカーボンの反応等を始めとする化学反応)が起こります。 これが 電池の容量低下、抵抗上昇(出力低下)につながります。 上記分解反応は上述の通り 化学反応 であるため、その反応速度は アレニウスの式 に従います。 exp項の中が負の値であることに注意すると、T(温度)が大きくなるほど絶対値が小さくなるため、全体として化学反応の速度定数kは大きくなるため、 【高温下に電池を置かないこと】が電池を長持ちさせる方法の一つです。 順を追って、この理由を解説します。 ここで満充電状態に近い状態にすると(が高い状態にすると)、負極-電解液界面の電圧が大きくかかることになる、つまりイメージでいうと大きく負担がかかることになります。 (電池の電位分布はで解説しています) 負極-電解液界面に大きく負担がかかるということは、電解液の分解反応が進みやすくなり、電池の容量低下、抵抗上昇につながりやすくなることになります。 よって、満充電に近い状態でなく、上述した通り 【電池の残量が少ない状態で使用すること】 が電池を長持ちさせるための方法の一つです。 (電池の評価試験として、という試験があり、主に満充電で電圧を保持するという厳しい条件下での電池の劣化を評価する方法があります。 使用する電池残量の範囲を小さくすることを、言い換えますと、【の範囲を小さく使う、を小さくすること】と言えます。 順を追って、この理由を解説します。 電池の充電、放電するに伴い、負極(黒鉛使用の場合)にリチウムイオンが挿入、脱離される時に、黒鉛の層間距離が大きくなったり、小さくなったりします。 (正極が層状系酸化物(コバルト酸リチウム等)の時は正極でも起こる)。 活物質が膨張、収縮を繰り返すことで徐々に活物質自体の形状が崩れたり、が崩れていき、劣化が進みます。 ここで使用する電池の範囲を小さくすることにより、上記の活物質や電極構造の膨張、収縮が小さくなり、劣化を軽減させることができます。 そのため、 【使用する電池残量の範囲の幅を小さくすること】 させることが、電池を長持ちさせるための方法の一つです。 関連記事 リチウムイオンバッテリーを充電しながら使用すると劣化しやすくなるのか? リチウムイオンバッテリ-を充電しながら使用すると、容量の減りが速くなる劣化が起こりやすいという噂を良くみかけます。 実は、リチウムイオン電池を充電しながら使用するとバッテリーの寿命が短くなるのは本当です。 ただ、起こるとしてもわずかな劣化のレベルといえます。 これは、充電モードと放電モードを同時に行うために、バッテリー搭載のシステムの稼働が激しくなることで、若干暖まるためです。 上述のように高温状態になると電池の劣化が進むために、充電しながらのバッテリーの使用は寿命を縮めるといえます。 私自身もバッテリー寿命を伸ばすために充電しながらバッテリーの使用を避けるということは一切行っていません。 関連記事 リチウムイオンバッテリーは使い切ってから充電し、満充電状態にすると長持ちするというのは本当なのか? 上述のようにバッテリーを使い切ってから充電し、満充電状態にした方が長持ちするというのは嘘であるといえます。 使用するDODの幅が大きくなるために劣化を早めるといえます。 そのため、先にも述べましたがDODの幅を狭めて、かつSOCが低い範囲でのリチウムバッテリーを使用するように心がけましょう。 関連記事 リチウムイオン電池の継ぎ足し充電とは?継ぎ足し充電すると劣化が進むのか? そもそも継ぎ足し充電とはどのような充電方法のことを指すのでしょうか? 実は継ぎ足し充電とは、電池が 完全に空になってから充電するのではなく、ある程度充電された状態で充電する充電方法のことを指します。 基本的に、やのようながある電池では、継ぎ足し充電を行うことで、メモリー効果が起こり作動電圧の低下や容量の低下が起こります。 ただ、リチウムイオン電池ではニッケル水素電池やニッカド電池ほど大きなメモリー効果はなく、ほぼ無視していいです(厳密にはごくわずかにはリチウムイオン電池にもメモリー効果があります)。 そのため、 リチウムイオン電池では継ぎ足し充電しても劣化は早まりません。 ただ、継ぎ足し充電をすると充電状態が高い時間が増えます。 そのため、先にも述べたように、SOCが高くなるほど劣化しやすいということから、結果的に劣化が進むケースがあります。 継ぎ足し充電自体ではなく、継ぎ足し充電により高い充電率が維持されることによる、劣化の促進に気を付けましょう。 関連記事 リチウムイオン電池を長持ちさせる方法のまとめ ・高温下に電池を置かないこと ・電池の残量が少ない状態で使用すること ・使用する電池残量の範囲の幅を小さくすること ・(気になる方は充電しながらのリチウムイオン電池の使用は避けること) を心掛け、電池を長持ちさせましょう!.

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リチウムイオン二次電池

リチウムイオン

次世代自動車の普及拡大のために 地球温暖化問題の解決には、CO 2の排出抑制が必須です。 運輸部門では、ガソリン車から電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド自動車(PHEV)など次世代自動車への早期転換が求められています。 そこで課題となるのが、現在のEVを駆動するリチウムイオン電池の高エネルギー密度化、安全性の向上、低コスト化などです。 さらに市場の要請が強い「高エネルギー密度化」や「高出力化」に対して、2012年からのNEDOプロジェクト「リチウムイオン電池応用・実用化先端技術開発事業」に参画し、正極と負極の接触防止のためのセパレータの薄膜化などによって、革新的な二次電池(蓄電池)の実用化に取り組み、2015年に「23Ahセル」、2016年に「10Ahセル」の開発、実用化に成功しました。 価格競争が激化、一度は事業から撤退 リチウムイオン電池が登場したのは、1990年代初めのこと。 携帯電話やノートパソコン用に欠かせない、小型軽量で充電可能な二次電池として開発されました。 東芝も1992年に合弁会社を立ち上げ、リチウムイオン電池の量産に乗り出します。 しかし、技術開発競争において最初は日本メーカーが優位に立っていたものの、海外メーカーとの激しい価格競争が起こり、2004年にやむを得ず事業から撤退しました。 当時、研究開発センターで新しい電池材料の開発に取り組んでいた、舘林義直さんは「我々はわき目もふらず研究に取り組んでいるのに、どうして撤退しなければならないのかと悔しい思いでした。 ただ、当時の研究所メンバーが一丸となって新しい材料の電池の製品化を目指して、細々とでも研究を続けたことが後の成果につながりました」と振り返ります。 世の中にいまだかつてなかった製品をつくる リチウムイオン電池を巡る競争環境は激化する一方でしたので、舘林さんたちは再び市場に参戦するため独自の戦略を取ります。 「単にエネルギー密度だけで勝負するのではなく、他の性能で抜きん出た製品を開発する。 その結果、負極材として、従来の黒鉛などの可燃性の炭素系材料に替えて、『チタン酸リチウム(LTO)』を採用しました」(舘林さん) LTOには、安全面に大きなメリットがあります。 その理由は、そもそもLTO自体が燃えないセラミック素材であることと、リチウム金属の析出が起こらないため、析出した金属がセパレータを貫通し正極と触れることによる内部短絡(ショートすることによる動作不良)が生じないことです(図1)。 しかし、当初は二次電池として十分な大電流性能を得られなかったため、LTOを使ったリチウムイオン電池は、ソーラー腕時計用電池などのわずかな電流を必要とする用途でしか使用されていませんでした。 用途に応じてさまざまなタイプがあるうちの、大容量タイプの「20Ahセル」と、短時間に大電流の充放電を可能にする高入出力タイプの「2. 9Ahセル」の2タイプを製品化しました。 その性能が評価され、三菱自動車工業株式会社には「20Ahセル」が2011年に、スズキ株式会社ではアイドリングストップ用として「2. 9Ahセル」が2012年に採用されました。 EVやPHEVの普及に伴い、さらなる高エネルギー密度化、高出力化そして低コスト化などへのニーズは高まるばかりです。 舘林さんたちは新たな課題に立ち向かいます。 さらなる高エネルギー密度化のために着目されたのが「セパレータの薄膜化」でした。 セパレータを薄くできれば、同じ電池厚さの中で電極を巻ける回数が増え、高密度化できるためです。 セパレータの最も重要な役割は、絶縁体として正極と負極の接触による内部短絡を防止することです。 電極シートを50周以上の巻き重ねた結果、問題となったのはリードと電極(タブ)の溶接でした(図2)。 枚数を増した電極(タブ)にリードを溶接するためには、これまでよりハイパワーな溶接装置が必要です。 また、長尺の電極を量産するためには、スラリー状(液体中に微細な個体粒子が浮遊している状態)の電極を薄くかすれずに高速塗布する装置の開発も必要となりました。 「10Ahセル」の実用化を担当した村司泰章さんは「NEDOの支援により、新しい装置を導入して加工法を新規に開発しました。 そこから量産体制に入るまでには、社内の技術センターの力も借りながら、何度もテストを繰り返しました」と語ります。 主にリードと電極の溶接や電極スラリーの高速塗布の開発を進め、さまざまな試行錯誤の末、「10Ahセル」は2016年に製品化を果たしました。 この「10Ahセル」は、2017年にスズキの新型ワゴンRに搭載されました。 「10Ahセル」は、短時間にストップ&ゴーを繰り返すハードな使い方に最適で、回生ブレーキとモーターアシストを組み合わせた「マイルドハイブリッド」に活用されます。 マイルドハイブリッドは、減速時に発生するエネルギーを電力に変換し、変換した電力をバッテリーに充電。 蓄積した電力をエンジンのサポートに使用します(写真2)。 9Ahセル」と比べ、大幅に容量を増やし入出力性能(単位時間に入出力できる電気の量)も高めた結果、モーターによるクリープ走行(アクセルを踏まなくても低速で進むこと)が可能となり、モーターによるアシスト頻度が高まったことで、大幅な燃費向上につながっています。 ただし、「23Ahセル」の開発で行ったセパレータの薄膜化により、高速で巻く製造工程に耐えるためには、その薄さはすでに限界に達していました。 限界を突破するために、舘林さんらは「正極と負極の真ん中にセパレータがある」という既成概念を取り外して考えました。 ポイントは正極材と負極材がじかに触れなければよいということ。 「そこで考えついたのが、セパレータを極材の一部として薄く作り込んでしまうという途方もないアイデアですが、社内の生産技術センターでは新しいプロセス技術を扱っていて、このアイデアを実用化できる技術の知見がありました」と、舘林さんはプロセスを語ります。 その技術とは、「エレクトロスピニング」という極細のナノファイバーをつくる技術です。 この技術を応用し、絶縁性、耐熱性の高い樹脂製のナノファイバーで電極の上に極薄の膜をつくり、電極とセパレータを一体化することで、従来のリチウムイオン電池ではありえない革新的な構造が実現しました(図4)。 セパレータをないも同然にした結果、従来品に比べ絶縁体に関わるコストを半減、入出力性能と容量を1. 2倍にすることができました。 量産設計をするためには、安全性を測るために実製品に使う材料を用い、ほぼ同サイズの試作品で検討する必要があります。 ところが、試作段階で実製品製造に近い装置を導入するのは、かなり高いハードルとなります。 そこをNEDOの支援により乗り越えられたことが、開発に大きな弾みをつけてくれました」と語ります。 大容量化に向けた数々のチャレンジ 蓄電量のさらなる「大容量化」を実現するため、正極材と負極材についてさまざまな研究開発が行われ、特に負極材に関して、チタン酸リチウム(LTO)に変わる材料の開発は極めて難易度の高いテーマとなりました。 「LTOは非常に優れた素材です。 リチウム金属の析出が起こらず、リチウムイオンの挿入、脱離が速い。 安定性が高く長寿命でもある。 ただ、より大容量を求められるようになると、LTOでは限界があります。 そこで新たな材料を探した結果、たどり着いたのが『チタンニオブ系酸化物(NTO)』です」(舘林さん) 共に開発を手がけた山本さんは、「研究開発段階では、何十もの候補物質を検討してきました。 いくつかは製品開発に近いレベルまで研究を進めた素材もあります。 「最終的に残ったNTOについて、NEDOの支援を受けた実験装置によってテストを重ねました。 当初は寿命が短かったため、材料を均一化する合成方法を考えたり、正極との組み合わせを考えてセルの設計を何度もやり直したりして、ようやく目標としていた現行のセルよりもエネルギー密度や急速充電性能などにおいて優れた特性を得られました。 」(山本さん) 二次電池を可能な限りコンパクトに、かつ高エネルギー密度で低コストに製造する。 そのためのカギを握るのが、NTO負極材です。 NTOの開発状況について舘林さんは「セル製品としての完成度を高めているところで、2019年度にはお客様に提供する予定です」と語ります。 今後ハイパワーが求められる電力需給の調整用蓄電池として活用してもらいたい。 まだまだ高いハードルをいくつも越える覚悟 リチウムイオン電池には、これからの社会インフラを担う重要な役割があります。 入社以来ずっとその開発に取り組んできた舘林さんは、自分の仕事の意義を認識しています。 「一度は事業撤退となったものの、諦めずに研究に取り組んで本当に良かったと思っています。 粘り強く研究を進めた理由は自分の中に、リチウムイオン電池が社会に必要だという信念に近い思いがあったからです」 ただ現時点では、舘林さんが思ったほどには普及していないと言います。 それは性能やコスト面で、解消すべき課題がたくさんあるからです。 そんな思いを込めて、長寿命化に取り組んできました。 それこそクルマが走れなくなるまで、メンテナンスフリーで動き続ける。 これからEVの普及が期待される新興国の環境は、あらゆる面で非常に過酷です。 だからこそ、過酷な環境でも安全性をキープしたままで使える電池が求められるのです。 その理由は、まずリチウムが非常に軽い物質であること、加えて、最もイオン化傾向が大きい元素であり、高い電圧の電池をつくるのに役立ちます。 したがって、リチウムイオン電池はエネルギー密度が非常に高く、小型で軽量のバッテリーをつくる上で、大きなメリットとなります。 以前使われていた蓄電池、例えば鉛電池やニッケル水素電池などと比べれば単位体積、単位重量あたりとも、リチウムイオン電池が優れています。 ただし、負極材に炭素を使っていると、低温下での急速充電時などに、負極材の表面にリチウムが金属化して析出することがあります。 この析出した金属が正極と接触すると、正極と負極が内部短絡を起こし発熱や最悪の場合は爆発する恐れがあります。 正極と負極の内部短絡を防ぐために、リチウムイオン電池には必ず、正極と負極の間に絶縁体としてセパレータを入れます。 「リチウムイオン電池応用・実用化先端技術開発事業」 (2012~2016年度) (NEDO内担当部署:スマートコミュニティ部) 運輸部門における石油依存の脱却やCO 2排出量の削減のため、EVやPHEV等の次世代自動車の普及拡大が期待されており、その開発・実用化の国際競争が激化しています。 そのため、本事業においては、EV及びPHEVに搭載するリチウムイオン電池について、1充電当たりの電動走行距離の延伸を図るための高エネルギー密度化、安全性の向上、低コスト化等に資する技術開発を行いました。 その結果、東芝が開発した革新的リチウムイオン電池では、予定を前倒ししての早期商品化につながりました。 関連プロジェクト•

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