Category: ケミストリー

バッテリーケミストリーの比較 バッテリーのパラメータにはかなりの数があり、バッテリーが使用されるさまざまな用途に応じて、特定のパラメータが他のパラメータよりも重要になります。 鉛酸電池 – リチウムイオン – 電池の化学的性質の比較 パラメータ 鉛蓄電池 リチウムイオン電池 ニッケル・メタル（NiMH）ハイドライド・バッテリー ニッケル カドミウム バッテリー（Ni Cad） セル電圧 2.1 V 3.2 – 4.7 V 1.2 V 1.2

ニッケル水素電池の技術（ニッケル水素電池の全貌） ニッケル水素電池は、1967年にバテル・ジュネーブ研究所で発明されて以来、人工衛星に使われていたNi-CdやNi-H2電池から派生したものとして、先駆的な研究が行われてきた。Ni-MH研究の主な動機は、Ni-Cdに比べて高エネルギー、低圧力、コストに関連した環境上の利点であった。開発作業は、ダイムラー・ベンツ社（シュトゥットガルト）とフォルクスワーゲン社（ドイツ自動車連盟の枠組みの中で）が20年近くにわたってスポンサーとなった。この電池は、50Wh/kg、1000W/kgという高いエネルギー密度と出力密度を持ち、500サイクルという妥当なサイクル寿命を持つ。 [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys] ハイブリッド車用ニッケル水素電池技術。 1992年、USABCはDOEとの協力協定に基づき、ニッケル水素電池技術の開発を開始しました。 DOEの資金援助により、Energy Conversion Devices社（ECD Ovonics）とSAFT America社の2社でNi-MH技術が開発されました。(ECD Ovonics）とSAFT Americaの2社でのNi-MH技術開発に貢献しました。 ECD Ovonics社のNi-MH技術は、Chevron Technology Ventures, LLCとの折半出資による製造合弁会社COBASYS, LLCで製造されています。 ECDは、フォード・エスケープ、Cmax、フュージョンのハイブリッド車にニッケル水素電池を供給している三洋電機、ホンダのハイブリッド車、トヨタのハイブリッド車に電池を供給しているパナソニックにも技術を供与しています。 当初のECD契約の条件では、これらのライセンス料のごく一部がDOEとUSABCに送金されています。 2008年のニッケル水素電池市場は、二次電池業界全体の10％のシェアを占めていました。 Ni-MHが急速に成長した重要な理由は、HEVの成長と、アルカリ一次電池の直接的な代替としてのNi-MH電池の開発である。ニッケル水素システムは、Ni-Cd電池と多くの点で似ています。 また、酸素の再結合反応においても、PAMからNAMへの酸素拡散の設計や飢餓状態の電解質の設計など、VRLAセルと同様のシステムとなっています。 ニッケル水素電池の利点は

リチウムイオン電池の仕組み 世間では、「鉛蓄電池は古い技術」という認識があります。 リチウムイオン電池は、近代的でクリーンであり、エネルギー密度が3～4倍あり、サイクル寿命も長いという、これまでとは異なるイメージを持っています。 そんな中、150年の歴史を持つ鉛蓄電池の技術は、どのようなメリットをもたらす可能性があるのだろうか。 見出しの裏を見て、宣伝文句に使われているデータを見て、ちょっとした常識や基本的な研究、初歩的な科学を適用してみると、すべては見かけ通りではありません。 実際のところはかなり違うことがわかります。 1つ目の誤解は、体積密度と比エネルギー密度に関するものです。 4〜5倍というヘッドラインの値は、比エネルギー密度と、まだ商業的に使用されていないいくつかの限られたリチウムイオン電池の化学的性質にのみ関係しています。 Fig. 2では、リチウムイオン電池セル用の正極をいくつか比較しています。最も安全なLi-FePO4化学では約100Wh/kg、ニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物では200Wh/kgを超えます。 鉛蓄電池の図を以下に示します。 図2 各種電池のセルレベルのエネルギー密度 図3 リチウムイオン電池と鉛蓄電池のセルレベル、システムレベルでの比較 これらの値はシングルセルのレベルにのみ適用され、パックや使用中の状態には適用されません。 Fig. 3 は，さまざまなバッテリー化学物質のセルおよびシステムレベルでのエネルギー密度を示しています。 リチウムイオン電池セルのエネルギー密度は、接続、冷却、安全性、電池管理のための設備をすべて完備した状態では、実質的に半分になります。 セルレベルでの優位性である比エネルギー密度3～5倍が、2～3倍に低減されます。 リチウム正極の化学的性質によっては、アプリケーションによっては、完全に設置されたバッテリーシステムのエネルギー密度が、リチウムイオン電池と鉛蓄電池の間でほぼ同等になることも考えられます。もう1つの要素である「サイクルライフ」も混乱の原因となっています。 リチウムイオン電池の容量が定格の80％以下になるまでのサイクル数は？ 2、3千？ 表1は、性能とサイクル寿命に関するさまざまなリチウムイオン正極材料の概要を示している。

電気化学の定義 電気化学電源や電池は、電子伝導体（活物質）とイオン伝導体（電解質）の界面で起こる反応、化学電池からの電気エネルギーの生成（または化学エネルギーの電気エネルギーへの変換）、および化学変換に電解質電池を用いた場合のその逆の反応を扱う、学際的な科目である「電気化学」で研究されている。 電気化学的動力源（バッテリー） 電池のエネルギー変換プロセスは、酸化還元反応（レドックス反応）に基づいています。 セルは、電解セルとガルバニックセルに分類されます。 電解槽の例としては、アルミニウムやマグネシウムなどの金属を抽出するための槽や、充電中の電池などがあります。 ガルバニックセルやバッテリーは、電流を流すことができます。一方、電解セルは、電流を流さないと反応しません。 酸化とは、簡単に言えば（放電反応中の陽極から）電子を取り除くことであり、還元とは、この電子が外部回路を介してもう一方の電極（陰極）に加えられることであり、イオン伝導性のある電解質が細胞内のイオン伝達の媒体となる。 細胞の放電時には、外部回路を介して電子が陽極（マイナス板）から陰極（プラス板）に通過し、細胞内にイオンが流れることで、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。 アノードの代表的な例としては Li → Li+ + e Pb → Pb2+ +2e- Zn → Zn2+ +2e 陰極の例としては PbO2⇄

鉛蓄電池の化学反応 鉛蓄電池の動作原理と反応 すべてのバッテリーは、電気化学システムであり、電力やエネルギーの源として機能します。 それぞれのシステムには、2つの電極（プラスとマイナス）、電解液、セパレーターがあります。 電気化学システムの多くは、金属酸化物や酸素そのものを「正」に、金属を「負」にしています。 このシステムは、さらに一次電池と二次電池に分類されます。 一次電池は一回限りの使用で、二次電池は放電と充電を何度も繰り返すことができます。 商業的に確立され、成功した二次電池の一部を以下の表に示す。 電気化学システム 正電極 ネガティブ 電解液 備考 鉛蓄電池 過酸化鉛 PBO2 スポンジ状の金属鉛 希硫酸 反応に使われる電解質＋電子イオンの伝導性 リチウムイオン電池 コバルト、ニッケル、マンガン、鉄の酸化物を含むリチウム 黒鉛、リチウムが結合した（インターカレートした）シリコン リチウム塩の有機溶媒混合物 リチウムイオンを2つの電極間に伝導させる電解質 –

鉛蓄電池のメリット・デメリット 電池は、他の技術と融合して現代の産業界を形成する大きなイノベーションの一つであると言っても過言ではありません。 様々な種類の化学物質やアプリケーションがありますが、 発明から161年が経過した現在でも、地球上で最も多くの蓄電を行っているのは鉛酸化学です。 鉛蓄電池は電気化学的な蓄電デバイスであり、電流と電圧を供給する原理は他のすべての電気化学的な電池と同じであり、電気を蓄え供給する方法として鉛蓄電池を採用することに先行するものもある。 しかし、充電可能な電池としては初めてのものであった。 鉛蓄電池のメリット・デメリット 鉛蓄電池のメリットは何ですか？ 新しい技術の初期段階の問題は、何十年も前に解決されていることが多い。 堅牢で予測可能なバッテリー技術の現状 鉛蓄電池の技術は、ゆっくりとしたスピードではありますが、非常に大きな進化を遂げてきました。 木製のセパレーターから合成セパレーターへ、そして木材から抽出したリグニンを負極板の添加剤として使用したことは、鉛蓄電池の進化において大きなブレークスルーとなった。 1960年代には、ソンネンシェンのゲル電池が登場した。 残念ながら、この発明は明らかに時代を先取りしていたため、当時は注目されませんでしたが、数十年後に復活し、現在ではゲル電池は最高の蓄電用電池技術の一つとなっています。 鉛蓄電池のメリット その後、水の損失を減らすためにグリッドに低アンチモンを使用したり、合金の結晶化剤としてセレンを使用したり、耐食合金を使用したりしました。 鉛-カルシウム合金の登場により、メンテナンスフリーの電池が実現。 また、VRLA-AGMデザインの先駆けとなった。 最近では、90年代に設立されたALABC（ADVANCED LEAD-ACID BATTERY CONSORTIUM、現在のCBI（Consortium for Battery Innovation））の取り組みにより、特に電気自動車（BEV）やハイブリッド車（HEV）の研究が拡大・加速されています[HEV]

固体電池の紹介 電池の中では、正イオンがイオン導電体を介して負極と正極の間を移動し、電子を送り出すことで電流が発生します。 従来の電池（例：リチウムイオン電池）では、イオン伝導体は可燃性の高い液体有機化合物であり、これは大きな欠点である。 液体導体に代わる高性能な固体導体を求めて、さまざまな研究開発プロセスでさまざまな化合物が合成された。 研究者たちは、従来のリチウムイオン伝導体の性能を上回る固体イオン伝導体を発見しました。 ex:LGPS硫化物固体電解質（LGPS：リチウム、ゲルマニウム、リン、イオウ）。 ソリッドステートバッテリーとは何ですか？ それは、より高い安全性、より高いエネルギー密度、そして費用対効果の可能性が高い技術アプローチです。 家電製品や電気自動車などの電池技術の未来を担うのが固体電池です。 リチウムイオン電池を構成する正極、負極、セパレータ、電解液。 この電解液は、スマートフォンや電動工具、電気自動車などに応用されている液状電池（リチウムイオン電池）に使用されています。 一方、固体電池は、従来の電池のように液体の電解質ではなく、固体の電解質を使用します。 電池の電解液は、負極と正極の間に電流を流すための導電性の化学物質です。 セパレーターは、ショートを避けるためのものです。 固体電池は、他の電池と同じように、陽極、陰極、電解質を持つ電気化学セルです。 鉛蓄電池とは異なり、電極や電解液は固体です。 市販されているリチウムイオン電池は、正極と負極を電解質液で分離したセパレーターを備えています。 一方、固体電池は、液体の電解質溶液ではなく、固体の電解質を使用しており、固体の電解質がセパレーターの役割も果たしている。 これらの電池は、固体電気自動車用電池の大容量化に不可欠であり、強く求められています。 これらは可燃性であり、爆発する可能性はごくわずかです。 固体電池の例として、リン酸リチウムガラスがあります。 この電池は、エネルギー密度が高いのが特徴です。 固体電池のエネルギー容量は、液体電解質溶液を用いたリチウムイオン電池よりも大きくなります。 爆発や火災の可能性がないため、安全部品が必要なく、省スペース化にも貢献しています。 リチウムイオン電池に比べて2倍のエネルギーを詰め込むことができ、パワーもアップしています。