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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（LiPo、LIP、Li-poly、lithium-polyなどと略される）は、リチウムイオン電池とリチウム金属電池の技術から派生した充電式電池です。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（六フッ化リン酸リチウム、LiPF6など）を電解質として使用する代わりに、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（メタクリル酸メチル） （PMMA） 、ポリ（フッ化ビニリデン）（PVdF）などの固体（または半固体）ポリマー電解質を使用する点です。文献では、このシステムに対してハイブリッドポリマー電解質（HPE ）という用語も使用されており、ハイブリッドとはポリマーマトリックス、液体溶媒、塩の組み合わせを意味します。[ 2 ]
高分子電解質は、大きく分けて2つのカテゴリーに分類できます。乾燥固体高分子電解質（SPE）とゲル高分子電解質（GPE）です。[ 3 ]
液体電解質や固体有機電解質と比較して、高分子電解質は、充放電プロセス全体における電極体積の変化に対する耐性の向上、安全性の向上、優れた柔軟性といった利点を提供する。これらの電池は、他のリチウム電池よりも高い比エネルギーを提供する。
これらは、ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、ラジコン飛行機、一部の電気自動車など、重量が重要な用途で使用されています。[ 4 ]
乾式固体電解質は、1978年頃にミシェル・アルマン[ 5 ] [ 6 ]によってプロトタイプ電池に初めて使用され、1985年にはフランスのANVARとElf Aquitaine、カナダのHydro-Québecによって使用された[ 7 ]。
西氏は、ソニーがゲル状ポリマー電解質（GPE）を用いたリチウムイオン電池の研究を、1991年の液体電解質リチウムイオン電池の商用化に先立つ1988年に開始したと述べている。 [ 8 ]当時、ポリマー電池は有望であり、ポリマー電解質は不可欠なものになると思われた。[ 9 ]最終的に、このタイプの電池は1998年に市場に投入された。[ 8 ]しかし、Scrosati氏は、厳密に言えば、ゲル状膜は「真の」ポリマー電解質とは分類できず、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。[ 10 ]これらのポリマー電解質は触ると乾燥しているように見えるかもしれないが、30%から50%の液体溶媒を含む可能性がある。[ 11 ]
1990年以降、米国のミード社やバレンス社、日本のGSユアサ社など、いくつかの組織がゲル状SPEを使用した電池を開発してきた。 [ 7 ]
1996年、米国のベルコア社は多孔質SPEを使用した充電式リチウムポリマーセルを発表し[ 7 ] [ 12 ] 、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年に商品化された[ 2 ]。
他のリチウムイオン電池と同様に、LiPo電池は正極と負極の間でのリチウムイオンの挿入と脱挿入に基づいて動作します。ただし、LiPo電池は通常、液体電解質の代わりに、ゲル状または固体のポリマーベースの電解質を導電媒体として使用します。微細多孔質ポリマーセパレーターは、リチウムイオンの輸送を可能にしながら、電極間の直接接触を防ぐために使用されます。[ 13 ]
一般的なセルは、正極、負極、セパレータ、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。セパレータ自体は、ポリエチレン(PE) やポリプロピレン(PP)などの微多孔性フィルムなどのポリマーである場合があります。したがって、セルが液体電解質であっても、ポリマー成分は存在します。さらに、正極は、リチウム遷移金属酸化物 (LiCoO 2や LiMn 2 O 4など)、導電性添加剤、ポリフッ化ビニリデン(PVdF) のポリマーバインダーの 3 つの部分にさらに分けることができます。[ 14 ] [ 15 ]負極材料は、リチウム金属酸化物の代わりに炭素を使用するだけで、同じ 3 つの部分で構成されます。 [ 14 ] [ 15 ]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あり、LiPo セルは乾燥した固体ゲル状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。
高分子電解質は、大きく分けて2つのカテゴリーに分類できます。乾燥固体高分子電解質（SPE）とゲル高分子電解質（GPE）です。[ 3 ]
固体高分子電解質は、当初はリチウム塩で膨潤した高分子マトリックスとして定義され、現在は乾燥固体高分子電解質と呼ばれています。[ 3 ]リチウム塩はイオン伝導性を提供するために高分子マトリックスに溶解されます。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くなります。室温でのイオン伝導性を向上させるために、ゲル状電解質が添加され、GPEが形成されます。GPEは、有機液体電解質を高分子マトリックスに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高分子ネットワークによって閉じ込められるため、GPEは液体電解質と固体電解質の中間の特性を持ちます。[ 17 ]伝導メカニズムは液体電解質と高分子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、安全性にも貢献します。[ 18 ]
単一のLiPoセルの電圧は、その化学組成によって異なり、約4.2V （完全充電時）から約2.7～3.0V（完全放電時）まで変化します。リチウム金属酸化物（ LiCoO₂ など）をベースとしたセルの公称電圧は3.6Vまたは3.7V（最高値と最低値の中間値付近）です。これに対し、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）をベースとしたセルの公称電圧は、3.6～3.8V （充電時）から1.8～2.0V （放電時）です。
正確な電圧定格は製品データシートに明記されるべきであり、使用中に過充電や過放電が発生しないよう、セルは電子回路によって保護されている必要があることを理解しておく必要がある。
直列接続と並列接続が可能なLiPoバッテリーパックは、各セルごとに独立したピン配置を備えています。専用の充電器を使用すれば、各セルの充電状態を監視し、すべてのセルを同じ充電状態（SOC）にすることができます。
LiPoセルはメーカーに魅力的な利点をもたらします。ほぼあらゆる形状のバッテリーを容易に製造できます。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、自己放電率も月あたり約5%と低くなっています。[ 19 ]
LiPoバッテリーは、軽量化と容量と電力供給の向上という利点により価格に見合うものとして、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、大型模型列車などの動力源としてほぼ普遍的に使用されています。テストレポートでは、バッテリーを指示どおりに使用しないと火災の危険性があると警告しています。[ 20 ] R/Cモデルで使用される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、そうでない場合はバッテリーが損傷する可能性があります。[ 21 ]
LiPoバッテリー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バッテリーよりも高い放電電流と優れたエネルギー密度により、非常に顕著な性能向上（発射速度の向上）が実現されている。
リチウムポリマー電池は、モバイル機器、モバイルバッテリー、極薄ノートパソコン、ポータブルメディアプレーヤー、ゲーム機用ワイヤレスコントローラー、ワイヤレスPC周辺機器、電子タバコなど、小型化が求められる様々な用途で広く利用されています。高いエネルギー密度は、コスト面よりも大きなメリットとなります。
車両の内燃機関を始動するために使用されるバッテリーは通常12V または24Vであるため、携帯型ジャンプスターターや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、緊急時に車両を始動するために3個または6個のLiPoバッテリーを直列接続（3S1P/6S1P）します。鉛蓄電池式ジャンプスターターは価格が安いものの、同等のリチウム電池式ジャンプスターターよりも大きく重いため、現在ではLiPoバッテリー、あるいは場合によってはリン酸鉄リチウムバッテリーを使用する製品が主流となっています。
現代自動車は一部の電気自動車やハイブリッド車にLiPoバッテリーを使用しており[ 22 ]、起亜自動車は電気自動車のKia SoulにLiPoバッテリーを使用している[ 23 ]。いくつかの都市でカーシェアリングに使用されているBolloré Bluecarもこのタイプのバッテリーを使用している。
LiPoバッテリーは、無停電電源装置（UPS）システムでますます一般的になっています。従来のVRLAバッテリーに比べて多くの利点があり、安定性と安全性の向上により、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、スペースが限られていることが多いデータセンターなど、重要な電力バックアップを必要とする多くの産業で大きな利点と見なされています。[ 24 ]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バッテリーよりもLi-Poバッテリーを使用する利点と見なされています。
すべてのリチウムイオン電池は、充電状態（SOC）が高いレベルまたは過充電になると、電解質のわずかな蒸発により膨張します。これにより、剥離が発生し、電池の内部層との接触が悪くなり、信頼性とサイクル寿命全体が低下します。[ 25 ]これは、膨張を抑えるためのハードケースがないため、目に見えて膨張するリチウムポリマー電池で特に顕著です。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のそれとは異なります。
硬質金属ケースを持つ円筒形および角形リチウムイオン電池とは異なり、LiPo電池は柔軟な箔型（ポリマーラミネート）ケースを持つため、比較的制約が少ない。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、容量保持率が向上する。[ 25 ] [ 26 ]
固体高分子電解質（SPE）は、高分子媒体中の無溶媒塩溶液です。例えば、ビス（フルオロスルホニル）イミドリチウム（LiFSI）と高分子量ポリエチレンオキシド（PEO）の化合物[ 27 ] 、高分子量ポリ（トリメチレンカーボネート）（PTMC）[ 28 ] 、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）などが挙げられます。PEOは、柔軟なエチレンオキシドセグメントと、強いドナー特性を持つ他の酸素原子により、Li +カチオンを容易に溶媒和するため、リチウム塩の固体溶媒として最も有望な性能を示します。PEOは市販されており、非常にリーズナブルな価格です。[ 3 ]これらの提案された電解質の性能は通常、金属リチウム電極に対するハーフセル構成で測定され、システムは「リチウム金属」セルになります。それでも、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でもテストされています。
固体ポリマー電解質を用いた電池はまだ完全には商業化されておらず[ 29 ]、依然として研究対象となっている[ 30 ] 。このタイプの試作電池は、従来のリチウムイオン電池（液体電解質使用）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[ 10 ]。最も単純な方法は、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、 LiPF6をEC / DMC / DECに溶解したような従来の塩や溶媒でゲル化することである。
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-co-ヘキサフルオロプロピレン）/ポリ（メタクリル酸メチル）（PVDF-HFP/PMMA）のような微多孔性ポリマーマトリックスの可塑剤として、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]BF 4）などの無機イオン液体を使用する方法がある。[ 31 ]
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)ゲルポリマー電解質（GPE）は、液体電解質成分を固定して半固体構造を形成するポリマーマトリックスで構成されています。GPEは、固体電解質の安全性と機械的利点と液体電解質の高いイオン伝導性を兼ね備えています。
保管中に LiPo が発火したという話はまだ聞いたことがありません。私が知っている火災事故はすべて、バッテリーの充電または放電中に発生しています。これらのケースでは、問題の大部分は充電中に発生しました。これらのケースでは、通常、充電器または充電器を操作していた人のどちらかに責任がありましたが、常にそうとは限りません。