バッテリーおよび電極材料

バッテリーおよび電極材料は、電気化学的エネルギーを貯蔵する固体であり、イオンを可逆的に取り込み放出するホスト構造と、電子が外部回路を流れる間にイオンをその間で運ぶ電解質とが対になっています。

Definition

バッテリー電極材料は、通常、イオンの挿入および除去という可逆的な電気化学反応によって電荷を貯蔵する固体です。これらはイオン伝導性電解質とともに、化学エネルギーが電気エネルギーとして貯蔵および放出されるセルを形成します。

Scope

このトピックでは、リチウムイオンシステムを中心とした二次電池の材料化学について扱います。具体的には、層状、スピネル、およびポリアニオンカソードホスト、炭素および合金アノード、ならびに液体、ポリマー、および固体電解質が含まれます。電極の結晶構造とレドックス化学がどのようにその電圧、容量、およびレートを決定するか、サイクリングに伴う構造変化、ならびに安定性と寿命を支配する界面について論じます。

Core questions

• インターカレーション電極はどのようにして電荷を可逆的に貯蔵するのですか？
• 電極材料の電圧と容量は何によって決まりますか？
• サイクリング時の構造変化はバッテリーの寿命をどのように制限しますか？
• 液体、ポリマー、固体電解質はどのような役割を果たしますか？

Key concepts

• インターカレーションホスト
• カソードおよびアノード材料
• セル電圧と容量
• 電解質
• 固体電解質界面
• サイクル寿命と劣化

Key theories

インターカレーション電気化学

層状および骨格ホストは、リチウムなどのイオンを空孔サイトに可逆的に挿入し、それに伴いホストの遷移金属の酸化状態が変化します。レドックス電位とサイトの数がセル電圧と容量を決定します。

電解質と界面

電解質は、電子を遮断しつつ、両方の電極に対して安定である必要があり、作用イオンを伝導しなければなりません。電極-電解質界面での反応により、セルを保護する不動態層が形成されますが、これは容量を消費し、サイクル寿命を支配します。

Mechanisms

放電時には、イオンが一方の電極から移動し、電解質を通って他方の電極に挿入される一方で、電子は外部回路を流れ、ホストの遷移金属は酸化状態を変化させます。充電時にはこのプロセスが逆転し、ホスト構造は膨張・収縮し、界面膜が形成・進化します。

Clinical relevance

バッテリーおよび電極材料は、携帯型電子機器、電気自動車、およびグリッドスケール貯蔵の動力源となっています。エネルギー密度を高め、安全性を向上させ、寿命を延ばすカソード、アノード、および電解質化学の進歩は、電化と再生可能エネルギーの統合にとって極めて重要です。

History

1970年代のWhittinghamによるインターカレーション電極の発見と、1980年代のGoodenoughによる層状およびポリアニオン酸化物カソードの特定が、吉野の炭素アノードと組み合わさることで、1991年に商用リチウムイオンバッテリーが誕生しました。それ以来、継続的な材料化学によってエネルギー密度は着実に向上し、固体およびリチウムを超える化学の研究が進められています。

Key figures

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

Seminal works

• armand2008
• whittingham2004

Frequently asked questions

バッテリーにおけるインターカレーションとは何を意味しますか？

インターカレーションとは、リチウムなどのイオンが、ホスト結晶構造を破壊することなく、その空のサイトに可逆的に挿入されることです。バッテリーが充電および放電する際に、ホストはこれらのイオンを受け入れたり放出したりすることで、多くの二次電池が電荷を貯蔵します。

リチウムイオンバッテリーはなぜ時間の経過とともに容量が低下するのですか？

繰り返しのサイクリングにより、電極ホストの構造疲労が徐々に進行し、界面膜への活性リチウムの損失、および電解質との緩やかな副反応が生じます。これらが蓄積することで、セルが貯蔵できる電荷量が減少し、その使用可能な寿命が短くなります。