充電式リチウム金属電池

充電式リチウム金属電池は、二次リチウム金属電池です。負極には金属リチウムを使用しています。リチウム金属は比容量が高く（3,860 mAh g ⁻¹）、酸化還元電位が非常に低く（標準水素電極に対して−3.040 V）、密度が低い（0.59 g cm ⁻³）ため、高エネルギー密度電池技術にとって理想的な負極材料となっています。^{[1]充電式リチウム金属電池は、}リチウムの電荷密度が高いため、長時間の動作が可能です。現在、いくつかの企業と多くの学術研究グループが充電式リチウム金属電池の研究開発を行っています。これは、充電式リチウム金属電池がリチウムイオン電池を超える開発の有力な方法と考えられているためです。^[2] 充電式リチウム金属電池の中には、液体電解質を使用するものもあれば、固体電解質を使用するものもあります。

歴史

充電式リチウム金属電池は1980年代にモリ・エナジー（現在はE-Oneモリ・エナジーとして知られている）によって商品化されたが、いくつかのセルが発火した後、モリ電池を使用した機器はリコールされ、同社は破産した。^[3]

研究の方向性

実用的な充電式リチウム金属電池の開発における主な課題は、クーロン効率が低いためにセル寿命が短いことと、デンドライト形成による短絡のため信頼性が低いことです。性能向上の取り組みは、電解質の選択を中心に行われています。これは、リチウムとの電解質反応がクーロン効率を決定し、セパレーター電解質がデンドライト形成に耐える必要があるためです。

液体電解質

研究の方向性としては、高塩分システム、リチウム上に固体電解質界面（SEI）層を形成する添加剤またはフッ素含有電解質、およびリチウムを保護シェル内に封入することなどが含まれます。

2023年には、低融点溶融塩混合物をベースにした無溶媒電解質が、広い電気化学ウィンドウ（5V）、リチウム金属アノードとの良好な適合性、および無視できる可燃性/揮発性を持つことが示されました。^[4]^[5]これらは、高性能で安全な充電式リチウム金属電池への有望な方向性を示しています。

固体電解質

ポリエチレンオキシド（PEO）などの固体ポリマー電解質は数十年にわたって研究されてきましたが、妥当なサイクル寿命と信頼性を達成するには、高温、低電圧カソード、および低電流密度が必要です。^[6]無機ポリマー複合材料は、加工可能で柔軟なシステムを見つけるために研究されてきました。LiPON、水素化ホウ素リチウム、ガラス状、半結晶性、結晶性硫化物、NASICON構造リン酸塩、ペロブスカイト、反ペロブスカイト、ガーネットなど、多くの無機材料ファミリーが研究されてきました。

商業化

充電式リチウム金属電池は、 Bolloré社がBluecarプログラムで商品化しており、エネルギー含有量の少ない薄膜電池はCymbet社などから販売されている。複数の企業が民生用電子機器や電気自動車への応用を目的とした充電式リチウム金属電池を開発している。公表データのある開発状況は以下の表にまとめられている。

特徴

このタイプの電池は2000年代から小型コイン電池として販売されているが、大容量の電力を供給できる大型バージョンを生産する試みはこれまでのところ成功していない。リチウム金属電池は、より一般的なリチウムイオン電池とは非常に異なる特性を持っている。^[12]

端子電圧はリチウムイオンよりも低く、完全に充電された状態では 3.1 ボルト、完全に放電された状態では 1.0 ボルトです。リチウムイオンとは異なり、端子電圧は放電が進むにつれて徐々に低下することはありません。電圧は、放電の最初の約 10% 以内に 3.1 ボルトから 2.5 ボルトに低下します。ここから、使用可能な電荷が約 10% 残るまで、端子電圧は 2.5 ボルトで比較的一定に保たれます。ここから 1.0 ボルトに低下します。この値を超えると、永久的な損傷が発生するため、バッテリーはそれ以上放電しないでください。

現在のリチウム金属電池（2024年現在^{[アップデート]}）の最大の欠点は、最大放電電流が容量のわずか0.2％であることです。つまり、5mAhの電池（現在の一般的なサイズ）の場合、最大放電電流はわずか10μAです。^[13]

バッテリーの充電要件もリチウムイオンタイプとは大きく異なります。最大放電電流が非常に低いのと同様に、最大充電電流も低くなります。推奨される唯一の方法は、電流制限抵抗器を介して正確に 3.1 ボルトの電圧源からバッテリーを充電することです。抵抗値は、バッテリーの mAh 容量を 5 で割ることで求められます。欠点は、バッテリーを 30 時間かけて充電する必要があることです。

放電および充電特性から、このタイプのバッテリーは、メモリのバックアップ電源や、カメラなどのリアルタイムクロックチップへの電源供給などの用途にのみ適していることがわかります。

バッテリーの温度特性は、リチウムイオンバッテリーとはまったく異なります。公式の温度範囲は -20 ～ 60 °C です。20 °C と比較すると、バッテリーの使用可能容量は -20 °C で約 15% 減少しますが、これはそれほど珍しいことではありません。ただし、60 °C では、バッテリーの容量は 5 ～ 10% 増加します。

このタイプのバッテリーの大きな利点の 1 つは、既存の充電式バッテリー技術の中で自己放電率が最も低いことです。実際、自己放電率が非常に低いため、バッテリーの保管寿命は 10 年以上になります。

参照

参考文献

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^ パナソニックリチウムハンドブック - 「リチウム金属コイン電池」の項、2005年8月
^ パナソニック ML621 バッテリーのデータシート（2005 年 8 月）より

[1] 徐、呉;王、九林。ディン、フェイ。チェン、シリン。ナシブリン、エドゥアルド。張、耀輝。張吉光（2014）。「二次電池用リチウム金属負極」。エネルギー環境。科学。7 (2): 513–537。土井：10.1039/C3EE40795K。ISSN 1754-5692。

[2] Albertus, Paul; Babinec, Susan ; Litzelman, Scott; Newman, Aron (2018). 「高エネルギーで低コストの充電式電池用リチウム金属電極の実現に向けた現状と課題」Nature Energy . 3 (1): 16–21. Bibcode :2018NatEn...3...16A. doi :10.1038/s41560-017-0047-2. S2CID 139241677. 2021-02-13閲覧。

[3] ^ Emma Jarratt ( 2020-09-18 ). 「充電式リチウム電池技術のカナダの先駆者、Moli Energyの壮大な物語から学ぶ新たな教訓」。Electric Autonomy Canada。ArcAscent Inc。2021-05-09閲覧。

[4] ファン、アン・L;ジャヤワルダナ、チャミスリ;リー、フンML;張嘉勲。ナン、ボー。チャン、ウェイラン。ルヒト、ブレット・L;ホウ・シンギュク。王春生（2023年8月）。「高温充電式リチウム金属電池用無溶剤電解液」。先端機能材料。33 (34)。土井：10.1002/adfm.202301177。hdl : 1903/30697。ISSN 1616-301X。

[5] Vu, Minh Canh; Mirmira, Priyadarshini; Gomes, Reginaldo J.; Ma, Peiyuan; Doyle, Emily S.; Srinivasan, Hrishikesh S.; Amanchukwu, Chibueze V. (2023年12月). 「無溶媒リチウム金属電池用低融点アルカリベース溶融塩電解質」. Matter . 6 (12): 4357–4375. doi :10.1016/j.matt.2023.10.017. ISSN 2590-2385.

[6] Hovington, P.; Lagacé, M.; Guerfi, A.; Bouchard, P.; Mauger, A.; Julien, CM; Armand, M.; Zaghib, K. (2015). 「超高エネルギー用の新しいリチウム金属ポリマー固体電池：ナノC-LiFePO4対ナノLi1.2V3O8」。Nano Letters . 15 (4): 2671–2678. Bibcode :2015NanoL..15.2671H. doi :10.1021/acs.nanolett.5b00326. PMID 25714564 . 2021-02-13に取得。

[7] 「3Dリチウム金属アノードホスト」doi : 10.1016/j.ensm.2018.04.015 . S2CID 103494783. {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です

[8] 「ARPA-E IONICS 2020 アップデート」(PDF) . 2021年2月13日閲覧。

[9] イ・ヨンゴン;藤木聡;チョン・チャンフン。鈴木直樹；八代信義；大茂田涼；コ・ドンス。白土智之杉本敏典リュ、セボム。ク・ジュンファン;渡辺拓；パク・ヨンシン;相原裕一；イム、ドンミン。ハン・インテク (2020) 「銀と炭素の複合陽極によって実現される高エネルギー・ロングサイクル全固体リチウム金属電池」。自然エネルギー。5 (4): 299–308。Bibcode :2020NatEn...5..299L。土井：10.1038/s41560-020-0575-z。S2CID 216386265 。2021年2月13日閲覧。

[10] 「EVバッテリーの主要な性能要件」。2021年2月13日閲覧。

[11] 「Quantumscape 2021年第4四半期株主レター」（PDF）。2022年2月21日閲覧。

[12] パナソニックリチウムハンドブック - 「リチウム金属コイン電池」の項、2005年8月

[13] パナソニック ML621 バッテリーのデータシート（2005 年 8 月）より