リチウムポリマー電池

リチウムポリマーバッテリー（別名リポバッテリー）は、ラジコンの世界でますます人気が高まっています。長い駆動時間と優れた電力容量を提供し、これらの軽量なリチウムポリマー電池は、より大きな利便性を提供します。

ドローンレースのような速いスピードが要求される用途に適している。

ポリマーホスト膜にアニオンを結合させる非水溶媒充填アイオノマーは、樹枝状析出を緩和することにより、リチウムポリマー電池の性能向上を実証している。

電解質

リチウムイオン電池は、携帯電話やパソコン、タブレットPCなどの電子機器に欠かせない電源です。リチウムイオン電池は、これらの機器にエネルギーを供給するという点では素晴らしい働きをするが、性能に悪影響を及ぼすことが多い様々な制限もある。リチウムポリマー電池は、液体電解質の使用を完全にやめて固体電解質を採用することで、液体電解質を損なうことによる物理的損傷や熱暴走をなくし、代わりに固体電解質ソリューションを提供することで、代替手段を提供しています。

固体高分子電解質（SPE）は有機液体電解質よりも沸点が低く、ナノファイバーを組み込むことで柔軟性を持たせることができるため、リチウムポリマー電池は通常よりもコンパクトにクレジットカードに収まる可能性がある。さらに、ポリマー電池に使用されるSPEが通常のリチウムイオン電池よりも薄いため、容量が2倍になる可能性さえある。

固体電解質は、液体電解質を使用した電池に比べて多くの利点があり、特に製造時間が短縮される。従来の電池は通常、正極と負極の材料をカスタマイズしてから、セパレーターで組み立て、液体電解液を加えるなど、いくつかの工程が必要であった。

リチウムポリマー・バッテリーにはさらなる安全性があります。液体電解質を使用しないため、リチウムポリマーは高充電状態（SOC）や過充電による問題を起こしにくい。典型的な液体電池は、SOC/過充電サイクルにさらされると、電解液のわずかな気化により膨張する。この膨張は、電極/電解液界面や界面相での亀裂や、この膨張プロセスによって引き起こされる機械的応力につながることが多く、内部セル層の劣化や、デンドライトのような好ましくない金属電析につながる。

Shiらは、このような問題を克服できるSPEの創製に研究努力を傾注し、25℃で2.0×10-4 S/cmという驚異的なイオン伝導性と優れた機械的特性を有するセルロースと複合化したイオン液体を用いて、3次元自己組織化SPEを創製した。さらに、セルロースはSPEの構造的完全性を強化すると同時に、強力なリチウム配位を形成してリチウム塩の溶解を促進するため、ILの漏出を防ぎながら全体的なイオン輸送を改善する。

カソード

電池の正極は負極として機能し、放電時に正極から電子を引き離す。正極材料は、グラファイトやシリコンなどの炭素系が使われる傾向がある。グラファイトは低コストで導電性と安定性が高いため、より多く使われる傾向にあり、シリコンはエネルギー密度が高い。現在使用されている正極材料には、エネルギー密度とサイクル寿命のバランスを目指した様々な反復がある。

負極はバッテリーの正極で、充電中に正に帯電したリチウムイオンを吸収する役割を果たします。一般的な負極材料には、エネルギー密度とサイクル寿命のバランスが良いニッケルコバルト合金があり、純ニッケルよりも安価で、融点/沸点プロファイルが低いため自動車用バッテリーの高温に適しています。

充電は、外部電源から各セルに過電圧を印加し、電子を正極から負極に強制的に移動させ、リチウムイオンを負極材料にインターカレーションさせることで行われる。一度充電されると、電池容量はセルあたりの充電上限電圧に達するまでゆっくりと増加します。

リチウムイオンバッテリーは自然発火しやすいということで報道されることがあるが、その危険性は比較的低い。これらの電池でよく見られるのは熱暴走で、負極が加熱してから酸化が始まり発火する可能性があり、最終的には爆発連鎖反応で電池パックの爆発や発火につながる。

固体高分子電解質を用いたリチウムイオン電池は、熱暴走のリスクを低減するのに役立つ可能性がある。このような電解質は、有機溶媒に浸された従来の多孔質セパレーターに代わるプラスチック状のフィルムで構成されており、通常、アクリロニトリル、酪酸エステル、ポリフッ化ビニリデン（PVdF）など、いくつかのポリマーのうちの1つで構成されている。

陽極

純粋な元素形態のリチウムは反応性が高い。水との相互作用や、電池の爆発を引き起こす水素ガスの発生を避けるため、リチウムイオン電池は、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどのポリマー中のリチウム塩からなる非水電解質を使用している。

リチウム電池の正極は金属酸化物からなり、負極は多孔質炭素からなる。放電時、リチウムイオンは負極から電解液、セパレーターを経て正極に移動し、電気エネルギーを生産する。逆に、充電時にはアノードからカソードに戻り、より大きな電力を供給する。

電池パックの正極も負極も、合成化合物を微粒子に粉砕してからバインダーや溶剤と混合し、金属箔（通常、負極はアルミニウム、正極は銅）にコーティングして作られる。この金属箔の表面に塗り広げられた後、これらの混合物は上に塗り広げられ、オーブンで乾燥され、構造を固定し、バインダー／溶剤の残留物を除去し、リチウムイオンを透過する微多孔膜を作る。

負極は通常、ニッケル-コバルト酸化物（NiCoO2）またはリチウム-マンガン酸化物（LiMn2O4）で構成される。両材料は、コバルトよりも低コストである一方、可逆的に酸化されてニッケルとマンガンの自然な状態に戻りやすい。Li-LiMn2O4の立方格子構造は、結晶内外へのリチウムイオンの3次元拡散を促進する。放電時には、Mnイオン2個につき1個のリチウムイオンがこの結晶に挿入され、充電時には、Mnイオン2個につき1個のリチウムイオンが可逆的に取り出される。

一部のバッテリーは、プラスチック導電性カーボンアノードを使用しており、金属リチウムアノードよりもはるかに安価で、サイクル能力と容量が低下しています。しかし、これは表面に金属リチウムを蓄積させ、時間とともに容量を減少させる。

熱暴走

リチウムポリマー電池の熱暴走は、電池内部の化学反応が自立し、熱を発生させ、指数関数的に増加する速度でエネルギーを放出するようになったときに起こります。この段階になると、電池内の圧力が急速に上昇し、ガスが発生し、電池が膨張してセルが膨張するため、電池のホイル包装が破裂し、人命に危険を及ぼす可燃性ガスが大量に放出される。

熱暴走は、バッテリーの過充電、高温への暴露、機械的故障、内部/外部ショートなど、複数の要因によって引き起こされる可能性がある。リチウムの有機物質が不安定化・分解し、危険なほど急激な温度上昇を引き起こすため、バッテリーセル内で内部加熱が生じ、熱暴走プロセスにつながる。

すべてのリチウムイオン電池はいくらかの熱を発生するが、この熱の発生速度が放散速度を上回ると、安定性が失われるまで内部温度が指数関数的に上昇する。その時点で、セパレーター構造が崩壊して内部セルが膨張し、電極同士が接触して発熱性化学反応を引き起こし、温度上昇を急速に加速させながら大量の熱を発生させ、熱暴走が起こるまでセル温度をさらに上昇させる。

セパレーター・シャットダウンのようなフェイルセーフは、リチウムの輸送を遮断することで熱暴走のプロセスを停止させる。

そのため、この現象のリスクを最小限に抑え、熱暴走からバッテリーをより効果的に保護するためには、バッテリー内部のセル温度を監視し、熱暴走のしきい値に達する前に介入できる温度センサーを備えたバッテリーキャビネットにバッテリーを保管することが効果的な戦略のひとつです。これらのキャビネットには通信機能も装備されており、充電、保管、メンテナンスの必要性に関して、データに基づいた意思決定が可能です。