リチウムポリマー電池

リチウムポリマー電池
	スマートフォンの電源として使用されるリチウムポリマー電池
比エネルギー	100 ～265Wh / kg （0.36～0.95MJ/kg）
エネルギー密度	250 ～ 670Wh / L （0.90～2.63MJ/L）

リチウムポリマー電池、より正確にはリチウムイオンポリマー電池（略称はLiPo、LIP、Li-poly、lithium-polyなど）は、液体電解質の代わりにポリマー電解質を使用するリチウムイオン技術の充電式電池です。この電解質は導電性の高い半固体（ゲル）ポリマーでできています。これらの電池は、他のリチウム電池タイプよりも高い比エネルギーを提供します。これらは、モバイルデバイス、ラジコン飛行機、一部の電気自動車など、重量が重要となる用途で使用されます。^[2]

歴史

リチウムポリマー電池は、1980年代に広範囲にわたる研究が行われ、 1991年にソニーが初めて円筒形リチウムイオン電池を商品化して大きな節目を迎えたリチウムイオン電池とリチウム金属電池の歴史を辿っています。その後、フラットパウチ形式を含む他のパッケージ形態も進化しました。^[3]

デザインの起源と用語

リチウムポリマーセルは、リチウムイオン電池とリチウム金属電池から進化したものです。主な違いは、有機溶媒（ EC / DMC / DECなど）に保持された液体リチウム塩電解質（六フッ化リン酸リチウム、LiPF ₆など）を使用する代わりに、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）、ポリ（フッ化ビニリデン）（PVdF）などの固体ポリマー電解質（SPE）を使用する点です。

1970 年代のオリジナルのポリマー設計では、従来の電解質に浸した多孔質セパレーターに代えて、プラスチックのようなフィルムに似た固体乾燥ポリマー電解質が使用されました。

固体電解質は、一般的に、乾式SPE、ゲル化SPE、多孔質SPEの3種類に分類できます。乾式SPEは、1978年頃にMichel Armand氏によって初めてプロトタイプの電池に使用され、^[4]^[5]、1985年にはフランスのANVARとElf Aquitaine氏、カナダのHydro-Québec氏によって使用されました。^[6] 1990年以降、米国のMead社とValence社、日本のGS Yuasa社など、いくつかの組織がゲル化SPEを使用した電池を開発しました。^[6] 1996年、米国のBellcore社は多孔質SPEを使用した充電式リチウムポリマーセルを発表しました。 ^[6]

典型的なセルは、正極、負極、セパレーター、電解質の 4 つの主要コンポーネントで構成されています。セパレーター自体は、ポリエチレン(PE) またはポリプロピレン(PP)の微多孔膜などのポリマーである場合があり、そのため、セルに液体電解質が含まれている場合でも、「ポリマー」コンポーネントが含まれています。これに加えて、正極はさらに 3 つの部分に分けることができます。リチウム遷移金属酸化物 (LiCoO ₂または LiMn ₂ O ₄など)、導電性添加剤、およびポリフッ化ビニリデン(PVdF) のポリマーバインダーです。^[7]^[8]負極材料も同じ 3 つの部分で構成されますが、リチウム金属酸化物が炭素に置き換えられています。 ^[7]^[8]リチウムイオンポリマーセルとリチウムイオンセルの主な違いは、電解質の物理的相です。LiPo セルは乾燥した固体のゲル状の電解質を使用するのに対し、Li イオンセルは液体電解質を使用します。

動作原理

他のリチウムイオン電池と同様に、LiPos は正極材料と負極材料からのリチウムイオンの挿入と脱挿入によって機能し、液体電解質が導電性媒体となります。電極が直接接触するのを防ぐため、間には微細孔セパレーターが配置されており、これによりイオンのみが一方から他方へ移動し、電極粒子は移動しません。

電圧と充電状態

単一の LiPo セルの電圧は、その化学的性質によって異なり、約 4.2 V (完全充電) から約 2.7～3.0 V (完全放電) まで変化します。リチウム金属酸化物 (LiCoO _{2など) ベースのセルの公称電圧は 3.6 または 3.7 ボルト (最高値と最低値の中間の値) です。これに対し、リン酸鉄リチウム (LiFePO}₄ )ベースのセルの公称電圧は 3.6～3.8 V (充電) から 1.8～2.0 V (放電) です。

正確な電圧定格は製品データシートに明記する必要がありますが、使用中にセルが過充電または過放電しないように電子回路によって保護される必要があることを理解しておく必要があります。

セルが直列および並列に接続されたLiPoバッテリーパックには、セルごとに個別のピン配列があります。専用の充電器は、セルごとの充電を監視して、すべてのセルが同じ充電状態 (SOC) になるようにします。

リチウムポリマーセルに圧力をかける

硬い金属ケースを持つリチウムイオンの円筒形および角柱形セルとは異なり、LiPoセルは柔軟な箔型（ポリマーラミネート）ケースを備えているため、比較的制約がありません。セルを構成する層のスタックに適度な圧力をかけると、コンポーネント間の接触が最大化され、セルインピーダンスの増加や劣化につながる剥離や変形が防止されるため、容量保持が向上します。 ^[9]^[10]

アプリケーション

LiPoセルはメーカーにとって魅力的な利点を提供します。ほぼあらゆる形状のバッテリーを簡単に製造できます。たとえば、モバイルデバイスやノートパソコンのスペースと重量の要件を満たすことができます。また、自己放電率は1か月あたり約5％と低いです。^[11]

ドローン、無線操縦機器、航空機

LiPoバッテリーは、現在では商用および趣味用のドローン（無人航空機）、ラジコン飛行機、ラジコンカー、大型模型列車の電源としてほぼ普遍的に使用されており、軽量で容量と電力供給量が多いという利点が価格を正当化しています。テストレポートでは、バッテリーを説明書通りに使用しないと火災の危険性があると警告されています。^[12]

R/Cモデルに使用されるLiPoバッテリーの長期保管時の電圧は、セルあたり3.6〜3.9Vの範囲である必要があります。それ以外の場合、バッテリーが損傷する可能性があります。^[13]

LiPo パックはエアソフトガンでも広く使用されており、従来のNiMHバッテリーよりも放電電流が高く、エネルギー密度が優れているため、パフォーマンスが大幅に向上します (発射速度が速い)。

個人用電子機器

LiPo バッテリーは、モバイルデバイス、パワーバンク、超薄型ラップトップコンピューター、ポータブルメディアプレーヤー、ビデオゲームコンソールのワイヤレスコントローラー、ワイヤレス PC 周辺機器、電子タバコ、および小型フォームファクターが求められるその他のアプリケーションで広く使用されています。高エネルギー密度はコストの考慮事項を上回ります。

電気自動車

現代自動車は、一部の電気自動車やハイブリッド車^[14]にこのタイプのバッテリーを使用しており、起亜自動車は、電気自動車の起亜ソウル^[15]にこのタイプのバッテリーを使用しています。いくつかの都市のカーシェアリングシステムで使用されているボロレブルーカーも、このタイプのバッテリーを使用しています。

無停電電源装置

リチウムイオン電池は、無停電電源装置（UPS）システムでますます一般的になりつつあります。従来のVRLA電池に比べて多くの利点があり、安定性と安全性が向上したことで、この技術に対する信頼が高まっています。その電力対サイズおよび重量比は、スペースが貴重であることが多いデータセンターなど、重要な電源バックアップを必要とする多くの業界で大きな利点と見なされています。^[16]サイクル寿命が長いこと、使用可能なエネルギー（放電深度）、および熱暴走も、VRLA電池よりもLi-po電池を使用する利点と見なされています。

ジャンプスターター

車のエンジンを始動するために使用されるバッテリーは通常 12 V または 24 V であるため、ポータブルジャンプスターターまたはバッテリーブースターは、他のジャンプスタート方法の代わりに、3 つまたは 6 つの LiPo バッテリーを直列 (3S1P/6S1P)にして、緊急時に車両を始動します。鉛蓄電池ジャンプスターターの価格は安価ですが、同等のリチウムバッテリーよりも大きくて重いです。そのため、このような製品はほとんどが LiPo バッテリー、または場合によってはリン酸鉄リチウムバッテリーに切り替わっています。

安全性

すべてのリチウムイオン電池は、高充電状態（SOC）または過充電時に、電解質のわずかな蒸発により膨張します。これにより層間剥離が発生し、セルの内層との接触が悪くなり、信頼性と全体的なサイクル寿命が低下します。^{[9]これはLiPosでは非常に顕著で、膨張を抑えるハードケースがないため、目に見えて膨張することがあります。リチウムポリマー電池の安全特性は}、リン酸鉄リチウム電池とは異なります。

ポリマー電解質

ポリマー電解質は、乾燥固体ポリマー電解質（SPE）とゲルポリマー電解質（GPE）の2つの大きなカテゴリに分けられます。^[17]液体電解質や固体有機電解質と比較して、ポリマー電解質は、充電および放電プロセス全体を通じて電極の体積の変化に対する耐性の向上、安全性の向上、優れた柔軟性、および加工性などの利点を提供します。

固体ポリマー電解質は、当初はリチウム塩で膨潤したポリマーマトリックスとして定義され、現在は乾燥固体ポリマー電解質と呼ばれています。^[17]リチウム塩はポリマーマトリックスに溶解してイオン伝導性を提供します。その物理的相のため、イオン移動が悪く、室温での伝導性が低下します。室温でのイオン伝導性を改善するために、ゲル化電解質が追加され、GPEが形成されます。GPEは、ポリマーマトリックスに有機液体電解質を組み込むことによって形成されます。液体電解質は少量のポリマーネットワークに閉じ込められているため、GPEの特性は液体電解質と固体電解質の中間の特性を特徴としています。^[18]伝導メカニズムは液体電解質とポリマーゲルで似ていますが、GPEは熱安定性が高く、揮発性が低いため、安全性にもさらに貢献します。^[19]

固体高分子電解質リチウム電池

固体高分子電解質を使用したセルはまだ完全には商品化されておらず^[21]、依然として研究対象となっている。 [ ^{22]このタイプのプロトタイプセルは、従来の}リチウムイオン電池（液体電解質を使用）と完全にプラスチック製の固体リチウムイオン電池の中間に位置すると考えられる。^[23]

最も簡単な方法は、EC / DMC / DEC中のLiPF ₆などの従来の塩と溶媒でゲル化したポリフッ化ビニリデン(PVdF) やポリアクリロニトリル(PAN) などのポリマーマトリックスを使用することです。

西氏は、ソニーが1988年にゲル化ポリマー電解質（GPE）を使用したリチウムイオン電池の研究を開始し、1991年に液体電解質リチウムイオン電池を商品化したと述べている^。[24]当時、ポリマー電池は有望であり、ポリマー電解質が不可欠になると思われていた。^[25]結局、このタイプの電池は1998年に市場に投入された。^[24] しかし、スクロサティ氏は、最も厳密な意味では、ゲル化膜は「真の」ポリマー電解質として分類することはできず、むしろ液体相がポリマーマトリックス内に含まれるハイブリッドシステムであると主張している。^[23]これらのポリマー電解質は触ると乾燥しているかもしれないが、それでも30％から50％の液体溶媒を含むことができる。^[26]この点では、「ポリマー電池」をどのように定義するかは未解決の問題である。

このシステムについて文献で使用されている他の用語には、ハイブリッドポリマー電解質（HPE）があり、「ハイブリッド」はポリマーマトリックス、液体溶媒、および塩の組み合わせを示します。^[27]このようなシステムを使用して、ベルコアは1996年に初期のリチウムポリマーセルを開発しました。^[28]これは「プラスチック」リチウムイオンセル（PLiON）と呼ばれ、その後1999年に商品化されました。^[27]

固体高分子電解質（SPE）は、ポリマー媒体中の無溶媒塩溶液である。例えば、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（LiFSI）と高分子量ポリ（エチレンオキシド）（PEO）の化合物、^[29]高分子量ポリ（トリメチレンカーボネート）（PTMC）、^[30]ポリプロピレンオキシド（PPO）、ポリ[ビス（メトキシエトキシエトキシ）ホスファゼン]（MEEP）などである。

PEOは、主にその柔軟なエチレンオキシドセグメントと、強力なドナー特性を持つ他の酸素原子により、リチウム塩の固体溶媒として最も有望な性能を示し、Li ⁺カチオンを容易に溶媒和します。PEOは非常に手頃な価格で市販されています。^[17]

提案されている電解質の性能は、通常、金属リチウムの電極に対する半電池構成で測定され、システムは「リチウム金属」電池になります。ただし、リン酸鉄リチウム(LiFePO ₄ )などの一般的なリチウムイオン正極材料を使用してテストされたこともあります。

ポリマー電解質セルを設計する他の試みとしては、ポリ(フッ化ビニリデン-コ-ヘキサフルオロプロピレン)/ポリ(メチルメタクリレート)(PVDF-HFP/PMMA)のような微多孔性ポリマーマトリックス中の可塑剤として、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート([BMIM]BF4 ₎などの無機イオン液体を使用することが挙げられる。^[31]

参照

参考文献

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外部リンク

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