携帯電話、ノートパソコン、電気自動車などに使用されている充電式バッテリーなど、リチウムを含むバッテリーは、私たちの日常生活に重要な役割を果たしています。そのため、リチウム バッテリー技術の研究は、今日の科学革新の重要な分野の 1 つです。このため、「リチウム バッテリー」、「リチウムイオン バッテリー」、「リチウム金属バッテリー」などの用語が広く使用されるようになりました。しかし、これらの用語は互換性があるのでしょうか。
リチウム金属電池とリチウムイオン電池はどちらもリチウムベースの電池の一種です。この記事では、これら 2 つのタイプの主な違いについて詳しく説明します。
リチウムイオン電池を理解する
リチウムイオン電池は、正極と負極の間でリチウムイオン (Li+) を移動する二次 (充電可能) 電池です。リチウムイオン (Li+) は、充電および放電サイクル全体を通じて電極に挿入され、電極から抽出されます。充電中、リチウムイオンは正極から抽出され、電解質を通じて負極に移動します。その結果、負極にリチウムが豊富になります。放電中は逆のことが起こります。
リチウムイオン電池の構成要素
A. 正極（カソード）
正極に使用される活物質は、通常、リチウムマンガン酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（一般に三元物質と呼ばれる）などです。三元物質または三元物質とリチウムマンガン酸化物の組み合わせは、電動自転車によく使用されます。純粋なリチウムマンガン酸化物とリチウム鉄リン酸は、サイズが比較的大きい、性能が低い、またはコストが高いなどの要因により、あまり一般的ではありません。正極の集電体には、通常、厚さ10〜20マイクロメートルのアルミ箔が使用されます。
B. セパレータ
セパレーターは、微多孔構造を持つ特別に設計されたポリマーフィルムで、リチウムイオンの通過は許可しますが、電子の通過は阻止します。
C. 負極（アノード）
負極集電体は厚さ7～15マイクロメートルの電解銅箔で作られています。
D. 有機電解質
電解質は通常、六フッ化リン酸リチウムを溶解した炭酸塩ベースの溶媒です。一方、リチウムポリマー電池ではゲル電解質を使用します。
E. バッテリーケース
リチウム電池には、スチールケース（角型は珍しい）、アルミニウムケース、ニッケルメッキ鉄ケース（円筒型電池で一般的）、アルミニウムラミネートフィルム（パウチセルで使用）など、さまざまな形状があります。電池キャップは、電池のプラス端子とマイナス端子として機能します。
リチウムイオン電池の仕組み
リチウムイオン電池は、負極に炭素ベースの材料を使用し、正極にリチウム含有化合物を使用します。重要なのは、リチウム金属は使用されず、リチウムイオンのみを使用することです。
リチウムイオン電池は、電極におけるリチウムイオンの挿入と脱離のプロセスに依存しています。簡単に言えば、充電と放電中にリチウムイオンが電極に出入りします。電子もリチウムイオンと同期して移動し、このプロセスが電極内での挿入または脱離として現れます。
バッテリーの充電時に正極からリチウムイオンが放出され、電解液を通って負極へ移動します。負極に使用されているグラファイトは微細孔の多い層状構造をしています。負極に到達したリチウムイオンはこれらの孔に挿入されます。挿入されるリチウムイオンが多いほど、バッテリーの充電状態は高くなります。
バッテリーの製造と革新の詳細については、ドローン用のトップ LiPo バッテリー ガイドを参照してください。
バッテリー容量と放電プロセス
リチウムイオン電池を充電すると、リチウムイオンが正極から負極へ移動し、炭素層構造に埋め込まれます。移動するリチウムイオンの数によって、電池の充電容量が決まります。
バッテリーが放電されると（つまり、バッテリーが使用されているとき）、負極の炭素層に埋め込まれたリチウムイオンが放出され、正極に戻ります。放電容量が高いほど、正極に戻るリチウムイオンが多くなります。
通常、リチウムイオン電池の充電電流は 0.2C ～ 1C に設定されています。電流が大きいほど、充電プロセスは速くなります。ただし、充電が速いほど、発熱量も増加します。電流が高すぎると、電気化学反応が完了するまでに時間がかかるため、電池が最大容量に達しない可能性があります。急ぐと無駄になるのと同じように、ビールを注ぐのが速すぎると泡が過剰になり、味に影響します。
リチウムイオン電池の利点
A. 高電圧
リチウムイオン電池セル3.7個あたりの動作電圧は3.8～3.2V（リン酸鉄リチウム電池の場合はXNUMXV）で、これはニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池のXNUMX倍の電圧です。
B. エネルギー密度
リチウムイオン電池の実際のエネルギー密度は約555Wh/kgで、材料の比容量は150mAh/gを超え（ニッケルカドミウム電池の3～4倍、ニッケル水素電池の2～3倍）、理論値の約88％に達します。
C. 長いサイクル寿命
リチウムイオン電池は通常 500 サイクル以上使用できますが、中には 1,000 サイクルを超えるものもあります。リン酸鉄リチウム電池は 2,000 サイクル以上使用できます。低電流放電デバイスは電池寿命を効果的に延ばし、製品の競争力を高めます。
D. 安全性
リチウムイオン電池は環境に優しく、ニッケルカドミウム電池などの他の種類の電池に影響を与える「メモリー効果」がありません。リチウムイオン電池の前身である金属リチウムは、リチウムデンドライトの形成により短絡が発生しやすいものでした。しかし、リチウムイオン電池にはこの問題はありません。さらに、リチウムイオン電池には環境に有害なカドミウム、鉛、水銀が含まれていません。
E. 自己放電率が低い
完全に充電されたリチウムイオン電池を室温で 2 か月間保管した場合、自己放電率は約 25% になります。これは、ニッケルカドミウム電池の自己放電率 30 ～ 30%、ニッケル水素電池の自己放電率 35 ～ XNUMX% よりもはるかに低い値です。
F. 急速充電
リチウムイオン電池は、80C で 1 分間充電すると定格容量の 30% 以上に達することができます。リン酸鉄リチウム電池は、定格容量の 10% に達するのにわずか 90 分しかかかりません。
G. 広い動作温度範囲
リチウムイオン電池は、-25°C ～ 45°C の温度範囲で動作できます。電解質とカソード材料の進歩により、この範囲は -40°C ～ 70°C まで拡大すると予想されます。
リチウムイオン電池の欠点
A. 腐敗
他の充電式電池とは異なり、リチウムイオン電池の容量は徐々に減少します。この劣化プロセスは使用頻度や温度の影響を受け、容量の減少や内部抵抗の増加につながります。
B. リサイクル率
さまざまな要因により、新しく製造されたリチウムイオン電池の約1％がリサイクルに回されます。
C. 過充電になりやすい
リチウムイオン電池を過充電すると、過剰なリチウムイオンが格子構造に永久に埋め込まれ、その後の放出が妨げられ、電池寿命が短くなる可能性があります。
D. 過放電になりやすい
過放電により電極から過剰なリチウムイオンが放出され、格子構造が崩壊してバッテリー寿命が短くなります。
リチウム金属電池とは何ですか?
リチウム金属電池 (LMB) は、金属リチウムを負極 (アノード) として使用するタイプの電池です。正極の材料は、酸素、元素硫黄、金属酸化物などの物質を含め、さまざまです。リチウム金属電池は、標準的な乾電池と同様に機能し、金属リチウムの酸化によって電気エネルギーを生成します。リチウム金属電池は、リチウムイオン電池と比較して、理論的にはエネルギー密度が高く、非常に興味深い対象となっています。
リチウム金属電池：概要
リチウム金属電池は一次電池であるため、充電できません。
リチウム金属電池を選ぶ理由
リチウム金属電池は、電極に金属リチウムを使用しているため、乾電池などの他の種類の電池に比べてエネルギー密度が大幅に高く、カメラなどのポータブル機器など、長時間の電力を必要とする機器の電源として最適です。
リチウム金属電池とは何ですか?
リチウム金属電池は、純粋な金属リチウムを陽極として使用する一次電池（充電不可）です。これらの電池は、エネルギー密度が高く、保存寿命が長いことで知られており、コンパクトで信頼性が高く、長持ちする電源を必要とする用途に最適です。
リチウム金属電池の主な特徴:
- 高エネルギー密度リチウム金属電池はエネルギー密度が非常に高いため、アルカリ電池や亜鉛電池などの他の種類の電池よりも小型で軽量なパッケージに、より多くの電気エネルギーを蓄えることができます。
- 充電不可: これらの一次電池は充電式ではないため、消耗したら交換する必要があります。
- 電圧: リチウム金属電池の電圧は通常約 3.0V で、アルカリ電池 (1.5V) などの他のほとんどの一次電池よりも大幅に高くなります。
- 長い貯蔵寿命これらのバッテリーは、適切に保管すれば 10 ～ 15 年持続するため、長期間の電力供給と頻繁な交換を必要としないデバイスに最適です。
- 低い自己放電率リチウム金属電池は自己放電率が非常に低いため、使用していないときのエネルギー損失がほとんどなく、保存寿命が長くなります。
一般的なアプリケーション：
- 医療機器: ペースメーカー、補聴器
- 家電: 時計、電卓、リモコン
- 軍事および航空宇宙: 高いエネルギー密度と極限条件下での信頼性のために使用されます
- バックアップシステム: コンピュータやその他の電子機器のメモリバックアップ
- 安全・セキュリティ機器: 煙探知器、緊急ビーコン
安全上の考慮事項：
- 熱不安定性: リチウム金属は反応性が非常に高く、損傷したり取り扱いを誤ると熱暴走や火災を引き起こす可能性があります。
- 輸送制限: 安全上の懸念から、リチウム金属電池の輸送、特に航空輸送には制限があります。
リチウム金属電池とリチウムイオン電池
リチウム金属電池とリチウムイオン電池の主な違いは、その設計と機能にあります。リチウム金属電池は一次電池（再充電不可）ですが、リチウムイオン電池は再充電可能で、複数回の充電サイクルに対応するように設計されています。
リチウム金属電池:
リチウム金属電池は、従来の乾電池と同様に機能します。リチウム金属を電極として使用し、金属リチウムの腐食または酸化によって電気エネルギーを生成します。使い果たすと使用できなくなり、再充電もできなくなります。
リチウムイオン電池：
一方、リチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素を使用しています。これらの電池は中央に電解質があり、自由イオンのチャネルを形成しています。正極と負極はセパレーターで区切られ、短絡を防止しています。充電中、リチウムイオンは正極から負極に移動し、炭素構造内に蓄えられます。放電中、イオンは正極に戻り、サイクルが完了します。
要約すると、リチウムイオン電池とリチウム金属電池の主な違いは、リチウムイオン電池が電荷キャリアとして Li+ イオンを使用することです。
リチウム金属を電極として使用する電池はリチウム金属電池に分類されます。
リチウム金属電池について
リチウム金属電池は、リチウムイオン電池と密接に関連しているが、大きな違いがある充電式電池の一種です。どちらのタイプでも、リチウムイオン (Li+) は充電および放電サイクル中に電解質を介して移動します。ただし、リチウム金属電池はリチウム金属をアノード材料として使用するのに対し、リチウムイオン電池はグラファイトなどの化合物を使用します。厳密に言えば、リチウム金属電池はリチウムイオン電池の特別なサブセットと考えることができます。
科学文献では、「リチウムイオン電池」という用語はリチウム金属以外の電池を指すことが多く、「リチウム金属電池」はリチウム金属電極を使用する電池を指します。この区別により、充電/放電のメカニズムと材料の違いが明確になります。
- リチウムイオン電池： リチウムは Li+ イオンとして存在し、充電および放電時に電極間を移動します。電極材料は酸化還元反応を起こしてこのプロセスを促進します。
- リチウム金属電池： リチウム金属は、充電と放電中に酸化と還元（レドックス）を起こし、化学状態が変化します。これが、リチウムがイオン状態のままである従来のリチウムイオン電池との重要な違いです。
状況によっては、「リチウム電池」という広義の用語には、リチウムベースのコンポーネントに依存しているリチウム金属電池とリチウムイオン電池の両方が含まれます。
製品概要
数十年にわたる開発を経て、リチウムイオン電池は今や市場で成熟した技術となり、スマートフォンから電気自動車まで、幅広い機器に電力を供給しています。一方、リチウム金属電池は、高いエネルギー密度の可能性から、科学研究の重要な焦点となっています。しかし、デンドライト成長や、リチウム硫黄電池の場合はポリサルファイドシャトル効果や固有の安全性の懸念などの課題があるため、広く商業化されるまでには、まだ何年もかかるでしょう。
こうした障害にもかかわらず、リチウム金属電池はエネルギー密度が優れているため、多額の投資が行われています。たとえば、リチウム金属は、アノード材料としての比容量がグラファイトベースのリチウムイオン電池アノード材料 (C11Li) の 6 倍以上あります。このため、リチウム金属電池は次世代のエネルギー貯蔵の有望な候補となっています。
しかし、克服すべき課題もいくつか残っています。リチウム金属は反応性が高く、充電中にデンドライトを形成して短絡を引き起こす可能性があります。また、リチウムは酸素や水分と反応しやすいため、安全性も懸念事項です。とはいえ、現在進行中の研究は有望であり、科学技術の進歩が続けば、リチウム金属電池はエネルギー貯蔵分野に革命をもたらし、機器の軽量化や電気自動車の航続距離の延長につながる可能性があります。様々な種類の電池についてもっと知りたい方は、「リチウムポリマー電池とリチウム電池の違い」ガイドをご覧ください。
