リチウムイオンバッテリーの仕組み

2019-09-24 18:06:42

スマートフォンの時代は10年以上前のものですが、その社会変革の中心にあるポケットサイズのコンピューターは、リチウムイオンバッテリーという別の技術によってのみ、本当に可能です。


1991年にソニーによってカムコーダー用に最初に商業的に販売されたこれらのタイプのバッテリーは、ポータブル家電よりもはるかに優れています。 それらは、社会を変革する力を持つ他の2つの技術革命の中心にあります。内燃エンジンから電気自動車への移行と、化石燃料を燃料とする電力網から、余剰電力をバッテリーに貯蔵する再生可能エネルギー発電機への移行です。 将来の使用。


では、これらのバッテリーはどのように機能するのでしょうか? 科学者とエンジニアは、より良いバッテリーを作るために全キャリアを費やしてきましたが、私たちには完全には理解されていない謎がまだあります。 バッテリーを改善するには、化学者と物理学者が原子レベルでの変化を調べること、およびデバイスに電力を供給するバッテリーパックを設計して組み立てることができる機械的および電気的エンジニアが必要です。 ワシントン大学太平洋岸北西部国立研究所の材料科学者として、私の仕事はリチウム空気電池、マグネシウム電池、そしてもちろんリチウムイオン電池の新しい材料を探究するのを助けてきました。


2つの電子の寿命の1日を考えてみましょう。 そのうちの1人をアレックスと名付けます。彼にはジョージという友人がいます。


バッテリーの構造

中身は標準の単3アルカリ電池です。主幹事/ウィキメディア・コモンズ


アレックスは懐中電灯やリモコンのように、標準のアルカリ単三電池の中に住んでいます。単三電池の内部には、亜鉛で満たされた区画と、酸化マンガンで満たされた区画があります。一方の亜鉛は、アレックスのような電子にわずかにぶら下がっています。一方、酸化マンガンは電子を強力に引き寄せます。その間に、電子が直接一方の側から他方の側に移動するのを阻止するのは、カリウムと水の溶液に浸した紙で、正のカリウムイオンと負の水酸化物イオンとして共存します。


バッテリーをデバイスに入れてスイッチを入れると、デバイスの内部回路が完成します。アレックスは亜鉛から回路からマンガン酸化物に引き抜かれます。途中で、彼の動きはデバイス、電球、またはバッテリーに接続されているものに電力を供給します。アレックスが去ると、彼は戻ることができません。電子を失った亜鉛は水酸化物と結合して酸化亜鉛を形成します。この化合物は非常に安定しており、簡単に亜鉛に戻すことはできません。


バッテリーの反対側では、酸化マンガンが水から酸素原子を獲得し、水酸化物イオンを残して、亜鉛によって消費されている水酸化物のバランスをとります。アレックスの隣人全員が亜鉛を離れ、酸化マンガンに移動すると、バッテリーが消耗し、リサイクルが必要になります。


リチウムイオンの利点


これを、リチウムイオン電池を使用しているジョージと比較してみましょう。 リチウムイオンバッテリーの基本的な構成要素はアルカリAAセルと同じですが、いくつかの違いがあり、大きな利点があります。


ジョージは、グラファイトに住んでいます。グラファイトは、電子を保持する亜鉛よりも弱いです。 彼のバッテリーのもう1つの部分はコバルト酸リチウムです。これはマンガン酸化物よりもはるかに強力に電子を引き寄せます。これにより、彼のバッテリーはアルカリ電池よりも同じ量のスペースにはるかに多くのエネルギーを蓄えることができます。 グラファイトとコバルト酸リチウムを分離する溶液には、正に帯電したリチウムイオンが含まれています。これらのイオンは、バッテリーが放電および再充電されるときに化学結合を簡単に形成および切断します。

電子がバッテリーの外側に移動すると、リチウムイオンがバッテリーの内側に移動して、電気的平衡を保ちます。 Islam and Fisher、Chemical Society Reviews、2014年、CC BY


これらの化学反応は、酸化亜鉛の形成とは異なり、可逆的であり、これにより、電子とリチウムイオンが多くの充電と放電のサイクルを往復します。


ただし、このプロセスは100%効率的ではありません。すべての電池は最終的にエネルギーを保持する能力を失います。 それにもかかわらず、リチウムイオン化学のファミリーは、今日のバッテリー技術を支配するのに十分強力でした。