電池と二次電池

電池は可逆的な電極反応によって電気エネルギーを貯蔵します。二次（充電式）電池は、外部充電電流によってこれらの反応を逆転させることで、繰り返し充放電が可能です。

Definition

電極の化学状態にエネルギーを貯蔵し、酸化還元反応を通じて電気電流として放出する装置。二次電池では反応が可逆的であり、繰り返し充放電が可能である。

Scope

このトピックでは、電池の動作原理、すなわち電荷を貯蔵および放出する電極反応、一次（使い捨て）電池と二次（充電式）電池の区別、インターカレーション型リチウムイオン電池の構造、容量、エネルギー密度、サイクル寿命などの主要な性能指標、および容量劣化と劣化の原因について説明します。古典的な鉛蓄電池やニッケル系化学から現代のリチウムイオンシステムまでを網羅します。

Core questions

• 電極反応はどのように電気エネルギーを貯蔵し、放出するのでしょうか？
• 充電式二次電池と使い捨て一次電池を区別するものは何ですか？
• リチウムイオンインターカレーション化学はどのようにして高いエネルギー密度を達成するのでしょうか？
• どのようなプロセスが容量劣化を引き起こし、サイクル寿命を制限するのでしょうか？

Key theories

インターカレーション電気化学

リチウムイオン電池では、リチウムイオンが充放電中に層状または骨格状のホスト電極に可逆的に挿入および脱離し、電極を溶解することなく電荷を貯蔵します。これにより、長いサイクル寿命と高いエネルギー密度が可能になります。

可逆性と劣化

サイクル寿命は、電極反応がいかにきれいに逆転するかに依存します。固体電解質界面（SEI）の成長、リチウム析出、構造変化などの副反応は、活物質と電解質を消費し、容量劣化を引き起こします。

Clinical relevance

充電式電池は、携帯型電子機器、電気自動車、医療用インプラント、およびグリッドエネルギー貯蔵に電力を供給します。そのエネルギー密度、安全性、および寿命は、電化と再生可能エネルギーの導入の中心であり、集中的な材料研究を推進しています。

History

プランテは1859年に充電式鉛蓄電池を発明しました。ウィッティンガムは1970年代にリチウムインターカレーションを実証し、グッドイナフは1980年にリチウムコバルト酸化物カソードを特定し、吉野は最初の実用的なリチウムイオン電池を構築し、1991年に商品化され、2019年のノーベル化学賞で認められました。

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

充電式電池はなぜ時間とともに容量が低下するのですか？

繰り返しの充放電は、固体電解質界面の成長、可逆リチウムの損失、電極の亀裂などの遅い副反応や構造変化を引き起こし、活物質を永久に除去し、内部抵抗を増加させます。

リチウムイオン電池がこれほど多くのエネルギーを貯蔵できるのはなぜですか？

リチウムは軽量で高いセル電圧を提供し、インターカレーションホストはリチウムイオンが構造的な大きな変化なしに電極間を可逆的に移動することを可能にし、高電圧、高容量、および長いサイクル寿命を組み合わせています。