リチウムイオンバッテリーの知識

リチウムを含む材料を電極として使用する電池。 現代の高性能バッテリーの代表格です。

名詞の紹介

リチウムイオンバッテリーは、主に正極と負極の間のリチウムイオンの移動に依存して機能する充電式電池です。 充電および放電プロセス中、Li+ は 2 つの電極間を行き来します。バッテリーを充電するとき、Li+ は正極から脱離し、電解質を介して負極に挿入され、負極はリチウム -リッチ状態;放電時はその逆です。

リチウムイオンバッテリーは、次の 2 種類の電池と混同されやすい:

(1) リチウム電池: リチウム元素が存在します。

(2) リチウム イオン ポリマー電池: 液体有機溶媒をポリマーに置き換えます。

成分

スチールシェル/アルミシェル/円筒形/ソフトパッケージシリーズ:

(1) 正極 - 活物質は一般的にリチウム マンガン酸化物またはリチウム コバルト酸化物であり、現在はニッケル コバルト リチウム マンガン酸化物材料が登場し、電動自転車はリン酸鉄リチウムを使用し、厚さ 10 ～ 20 ミクロンの電解アルミニウム箔を使用しています。導電性集電体に使用されます。

(2) セパレーター – イオンは通過させるが、電子に対しては絶縁体である特殊な複合膜。

(3) 負極 - 活物質はグラファイト、または同様のグラファイト構造を持つ炭素であり、導電性集電体は厚さ 7 ～ 15 ミクロンの電解銅箔を使用します。

(4) 有機電解質 - 六フッ化リン酸リチウムを溶解した炭酸塩溶媒であり、ポリマー用のゲル状電解質。

(5) バッテリーシェル - スチールシェル (現在は角型ではほとんど使用されていません)、アルミニウムシェル、ニッケルメッキ鉄シェル (円筒型バッテリーに使用)、アルミニウムプラスチックフィルム (軟包装) など、およびバッテリーに分けられます。バッテリーシェルでもあるキャップ プラス端子とマイナス端子。

作用機序

リチウムイオンバッテリーは、負極に炭素材料、正極にリチウム含有化合物を用いたもので、金属リチウムはなく、リチウムイオンのみで構成されたリチウムイオンバッテリーです。 リチウムイオンバッテリーとは、リチウムイオン層間化合物を正極材料とする電池の総称です。 リチウム イオン電池の充放電プロセスは、リチウム イオンのインターカレーションとデインターカレーションのプロセスです。 リチウムイオンのインターカレーションおよびデインターカレーションの過程では、リチウムイオンに相当する電子のインターカレーションおよびデインターカレーションが伴います（通常、正極はインターカレーションまたはデインターカレーションで表され、負極は挿入またはデインターカレーションで表されます）。 充電と放電の過程で、リチウム イオンが正極と負極の間でインターカレート/デインターカレートし、インターカレート/デインターカレートします。これは、「ロッキングチェア バッテリー」と鮮やかに呼ばれます。

作業状況と効率

リチウムイオンバッテリーは、エネルギー密度が高く、平均出力電圧が高い。 わずかな自己放電、良好なバッテリー、1 か月あたり 2% 未満 (回復可能)。 メモリ効果はありません。 -20℃～60℃の広い使用温度範囲。 優れたサイクル性能、高速充放電、最大 100% の充電効率、および高出力。 長持ちする。 有毒で有害な物質を含まず、グリーンバッテリーと呼ばれています。

充電

充電は電池の再利用の重要なステップであり、リチウムイオンバッテリーの充電プロセスは、定電流急速充電段階と定電圧電流減少段階の 2 つの段階に分けられます。 定電流急速充電段階では、バッテリー電圧がバッテリーの標準電圧まで徐々に上昇し、制御チップの下で定電圧段階に入り、電圧が再び上昇せず、過充電が発生しないようにします。バッテリー残量が設定値まで増加するにつれて電流が徐々に弱くなり、最終的に充電が完了します。 電力統計チップは、放電曲線を記録することにより、バッテリーの電力をサンプリングして計算できます。 リチウムイオンバッテリーを繰り返し使用すると、放電曲線が変化します.リチウムイオンバッテリーにはメモリー効果はありませんが、不適切な充放電は電池の性能に深刻な影響を与えます.

充電に関する注意事項

リチウムイオンバッテリーの過度の充電と放電は、正と負の電極に永久的な損傷を与えます。 過度の放電により、負極の炭素シート構造が崩壊し、崩壊により、充電中にリチウム イオンが挿入されなくなります; 過充電により、あまりにも多くのリチウム イオンが負極の炭素構造に埋め込まれ、一部のリチウムがイオンが放出できなくなります。

充電容量は充電電流×充電時間となり、充電制御電圧が一定の場合、充電電流が大きいほど（充電速度が速いほど）充電容量は小さくなります。 バッテリーの充電速度が速すぎたり、終止電圧の制御点が不適切であったりすると、バッテリー容量が不足し、実際には、バッテリーの一部の電極活物質が十分に反応せずに充電を停止します。

放電

最初の充放電は、時間を長くとることができれば（一般的には 3 ～ 4 時間で十分です）、電極を可能な限り最高の酸化状態（十分な充電）に到達させることができます。シャットダウン、バッテリー容量をアクティブにすることができます。

しかし、リチウムイオンバッテリーの通常の使用においては、充電する必要はなく、必要に応じていつでも充電できます.完全に充電する必要も、最初に放電する必要もありません. 初めての充電や放電などの操作は、3 ～ 4 か月に 1 ～ 2 回、連続して行うだけで済みます。

化学分析

概要: すべての化学電池と同様に、リチウム イオン電池は、正極、負極、電解質の 3 つの部分で構成されています。 電極材料はすべてインターカレート（挿入）/デインターカレート（デインターカレート）できるリチウムイオンです。

正極：正極材料、前述のように、多くのオプションの正極材料があり、現在の主流製品は主にリン酸鉄リチウムを使用しています。 異なるカソード材料の比較:

陰極材料

平均出力電圧

エネルギー密度

LiCoO2

3.7V

140mAh/g

LiMn2O4

3.7V

100mAh/g

LiFePO4

3.2V

130mAh/g

Li2FePO4F

3.6V

115mAh/g

正極反応：放電時にリチウムイオンが挿入され、充電時にリチウムイオンが放出される。 充電：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe 放電：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

 

負極: 負極材料は主にグラファイトです。 新しい研究は、チタン酸塩がより良い材料である可能性があることを発見しました.

 

負極反応：放電時にリチウムイオンが脱離し、充電時にリチウムイオンが挿入される。 充電時：xLi+xe+6C→LixC6 放電時：LixC6→xLi+xe+6C

 

電解質液体

 

溶質: 過塩素酸リチウム (LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム (LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム (LiBF4) などのリチウム塩がよく使用されます。 溶媒：バッテリーの動作電圧は水の分解電圧よりもはるかに高いため、リチウムイオンバッテリーでは、エーテル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの有機溶媒がよく使用されます。 有機溶媒は、充電中にグラファイトの構造を破壊して剥がれ、その表面に固体電解質膜 (固体電解質界面、SEI) を形成し、電極のパッシベーションを引き起こすことがよくあります。 有機溶剤は、可燃性や爆発などの安全性の問題ももたらします。

 

主な利点

 

(1) 高電圧: 単電池の動作電圧は 3.7 ～ 3.8V (リン酸鉄リチウムの場合は 3.2V) と高く、Ni-Cd および Ni-H 電池の 3 倍です。

 

(2) 大きな比エネルギー: 現在達成できる実際の比エネルギーは約 555Wh/kg です。つまり、材料の比容量は 150mAh/g (Ni-Cd の 3 ～ 4 倍、 Ni-MH の 2 ～ 3 倍）、理論値の約 88% に近い値です。

 

（3）長いサイクル寿命：一般に、500回以上、さらには1000回以上に達することができ、リン酸鉄リチウムは2000回以上に達することができます。 低電流放電の電化製品の場合、バッテリーの耐用年数は電化製品の競争力を2倍にします。

 

(4) 良好な安全性能: 無公害、無メモリー効果。 リチウムイオンの前身であるリチウム電池は、金属リチウムがデンドライトを形成して短絡しやすいため、その応用分野が減少します。リチウムイオンには、環境を汚染するカドミウム、鉛、水銀などの要素が含まれていません。いくつかのプロセス（焼結タイプなど） ニカド電池は「メモリー効果」という大きな欠点があり、電池の使用を大きく制限していましたが、リチウムイオンバッテリーにはこの問題がまったくありません。

 

(5) 少量の自己放電: 室温で 1 か月間保管した後の完全に充電された Li-ion の自己放電率は約 2% であり、Ni-Cd の 25-30% および 30-35% よりもはるかに低い値です。 Ni と MH の。

 

(6) 高速充放電: 1C で 30 分間の充電で公称容量の 80% 以上に達することができ、鉄リン電池は 10 分で公称容量の 90% まで充電できるようになりました。

 

(7) 使用温度範囲が高く、使用温度は-25~45℃ですが、電解液や正極の改良により、-40~70℃までの使用が期待されています。

 

リチウムイオンバッテリーの使用

 

(1) 新しいバッテリーの充電方法

 

リチウム電池を使用する場合、一定時間置くと電池が休眠状態に入り、容量が通常よりも低下し、使用時間も短くなりますのでご注意ください。 ただし、リチウム電池は起動が簡単で、通常の充電と放電を 3 ～ 5 回繰り返すと、電池を起動して通常の容量に戻すことができます。 リチウム電池自体の特性上、メモリー効果はほとんどありません。 したがって、ユーザーの携帯電話の新しいリチウム電池は、アクティベーションプロセス中に特別な方法や機器を必要としません。

 

リチウム イオン バッテリーの「アクティベーション」については、多くの人が言うように、バッテリーをアクティベートするには、これを 3 回行う場合、充電時間は 12 時間以上必要です。 この「最初の3回の充電で12時間以上充電する」というのは、明らかにニッケル電池（ニッケルカドミウムやニッケル水素など）の続きです。 ですから、この種の発言は最初から誤報であると言えます。 リチウム電池とニッケル電池の充放電特性は大きく異なり、過充電と過放電がリチウム電池、特に液体リチウム電池に影響を与えることを私がチェックしたすべての重大な正式な技術情報が強調していることを明確に伝えることができます.多くの損害を与える。 したがって、標準時間と標準方法に従って充電することをお勧めします。特に、12 時間以上充電しないでください (充電器は完全に充電することしかできません)。

 

さらに、リチウム電池または充電器は、電池が完全に充電されると自動的に充電を停止し、ニッケル充電器で 10 時間以上持続する、いわゆる「トリクル」充電はありません。 つまり、リチウム電池が完全に充電されている場合、充電器で無駄に充電されます. また、バッテリーの充放電保護回路の特性が決して変化せず、品質が完全であることを保証することはできません。そのため、バッテリーは長期間にわたって危険にさらされることになります。 これが、長時間充電に反対するもう 1 つの理由です。

 

さらに、無視できないもう1つの側面は、リチウム電池も過放電に適していないことであり、過放電もリチウム電池に有害です。

 

(2) 通常使用時の充電開始時期

 

充電と放電の回数が限られているので、携帯電話のバッテリーはできるだけ充電する必要があるため、このようなことわざをよく見かけますが、実際にはリチウム電池の寿命は関係ありません。 以下は、リチウム イオン バッテリーの充放電サイクルに関する実験表の例です。サイクル寿命に関するデータは次のとおりです。

 

サイクル寿命 (10%DOD):>1000 回

 

サイクル寿命 (100%DOD):>200 回

 

その中で、DOD は英語の Depth of Discharge の略語です。 表から、充電時間は放電深度に関係し、10% DOD のサイクル寿命は 100% DOD のサイクル寿命よりもはるかに長いことがわかります。 もちろん、実際の充電の相対的な総容量に換算すると、10%*1000=100、100%*200=200、後者のフル充電と放電はまだ優れていますが、以前のネチズンの発言は修正する必要があります。一定の状況下では、バッテリー残量がなくなったら充電するという原則に従って予約して充電する必要がありますが、2 日目にバッテリーが 1 日も持たないことが予想される場合は、2 日目に充電を開始する必要があります。充電器をオフィスに持ち込むかどうかは別の問題です。

 

バッテリーの残量を再充電するという原則は、あなたを極端にさせないことです。 長時間充電と同じくらい一般的なことわざは、「バッテリーをできるだけ使い切る」ことです。 この慣行は、実際にはニッケル電池でのみ行われるものであり、目的はメモリ効果を回避することですが、残念ながらリチウム電池でも広まっています。 携帯電話の電池残量が少ないという警告が表示された後、自動で電源が切れるまで充電せずに使い続けた事例がありました。 その結果、この例の携帯電話はその後の充電と起動中に応答せず、修理のためにカスタマー サービスに送る必要がありました。 これは実際には、過放電によるバッテリーの低電圧が原因であり、正常な充電および始動条件がありません。

 

個人的には、携帯電話のリチウム イオン バッテリーを過充電したり、電力が不足したりしないようにすることをお勧めします. バッテリーを使い果たす前に充電すると、バッテリーに損傷を与えることはありません. 2 〜 3 時間以内に充電することをお勧めします。また、完全に充電する必要はありません。 ただし、リチウム電池は 1 ～ 2 回フル充電し (通常の充電時間)、3 ～ 4 か月ごとに放電する必要があります。

 

長期間使用されていないリチウム電池は、涼しく乾燥した場所に保管する必要があります.半分充電された状態で使用することをお勧めします.満充電の状態で保管すると危険であり、バッテリーが損傷し、充電せずに保管するとバッテリーが損傷します。 3 ～ 6 か月ごとに、再充電するかどうかを確認してください。

 

リチウムイオンバッテリーは、電解質によって液体リチウムイオンバッテリーとポリマーリチウムイオンバッテリーに分けることができます.ポリマーリチウムイオンバッテリーの電解質はコロイド状で流れないため、液漏れの問題がなく、より安全です.

 

メンテナンス手順

 

充電時は最大充電電圧を超えてはならず、放電時は最小動作電圧を下回ってはなりません。

 

リチウム イオン電池は、常に最低動作電圧以上に保つ必要があります. 低電圧の過放電または自己放電反応により、リチウム イオン活物質が分解および破壊され、元に戻らない場合があります.

 

リチウム イオン バッテリーの過充電は、バッテリーの性能に重大な損傷を与えたり、爆発を引き起こしたりする可能性があります。 リチウム イオン バッテリーは、充電プロセス中にバッテリーを過充電しないようにする必要があります。

 

頻繁に深い放電、深い充電をしないでください。 ただし、約 30 回の充電サイクルの後、電力検出チップが自動的に深い放電と深い充電を実行し、バッテリーの状態を正確に評価します。

 

軽度の場合には耐用年数を短縮し、深刻な場合には爆発を引き起こす可能性がある高温を避けてください。 できれば冷蔵庫で保管してください。 ノートブック コンピューターが AC 電源を使用している場合は、リチウム イオン バッテリー ストリップのプラグを抜いて、コンピューターから発生する熱の影響を受けないようにしてください。

 

凍結は避けてください。ただし、ほとんどのリチウム イオン バッテリー電解液の凝固点は -40°C であり、凍結するのは容易ではありません。

 

長期間使用しない場合は、40%~60%充電して保管してください。 電池残量が少ないと、自己放電により過放電になる場合があります。

 

リチウムイオンバッテリーは使用しないと自然に劣化するため、購入時には実際のニーズに応じて購入する必要があり、過剰に購入することはお勧めできません。