リチウムイオン電池の種類、用途、および持続可能性のための安全性

静かで効率的な電気自動車が 通りを滑り 建物の間には 立っていて 太陽光や風力発電を 蓄積しているような 未来の都市を想像してくださいこのビジョンの核心には,重要なエネルギーキャリアであるリチウムイオン電池がありますリチウムイオン電池製品が 圧倒的に多種多様で 市場には存在しています特定の用途のための電池を選択する際に考慮すべき要因この記事では,リチウムイオン電池の種類,特性,用途,変化するエネルギー環境において 知識に基づいた意思決定を可能にするために.

リチウムイオン電池は,充電可能な二次電池として,長寿命,コンパクトサイズ,軽量性により,複数の部門で広く採用されています.スマートフォンやノートPCなどの消費電子機器から電気自動車やエネルギー貯蔵システムなどの大規模アプリケーションまで世界的なカーボンニュートラル化目標と再生可能エネルギーの普及により,リチウムイオン電池の市場需要は増加し続けています.360iリサーチによると,世界のリチウムイオン電池市場は2023年に約4595億ドルに評価され,2030年までに1062億ドルに達すると予測されており,重要な成長の可能性を示しています.

リチウムイオン電池は主に四つの構成要素で構成される.カソード,アンード,電解質,分離器.カソードとアンードはリチウムイオン,電解液はイオン輸送を容易にする電極間を直接接触させ,ショート・サーキットを回避します.リチウムイオンは,電解質と分離器を通ってカソードから動いて,アノード材料に埋め込む放電プロセスはこの動きを逆転させ,リチウムイオンがカソードに戻る.この前後運動は電池の充電放電サイクルを可能にします.

伝統的なニッケル・カドミウム・鉛酸電池と比較して,リチウムイオン電池は明確な利点があります.

• 高エネルギー密度電動自動車や軽い携帯機器の走行距離を延長します 電気自動車の走行距離は
• 長サイクル寿命:負荷と放電のサイクルを 何百から何千回まで 耐えられていて 性能は最小限に低下します
• 低自発放出率使用していないときに充電を効果的に保持し,デバイスの準備を保証します.
• 記憶効果がない完全に放電する必要がない限り,いつでも充電できます.

リチウムイオン電池の多様性は,主にカソード材料の違いから生じる.主なタイプは以下のとおりである.

• リチウムコバルトオキシド (LCO):かつては最も広く使用されたタイプであった LCO電池は高エネルギー密度ですが,安全性や高コストの問題で苦しんでおり,徐々に新しい技術に置き換えられています.
• リチウムマンガン酸化物 (LMO):低コストで優れた熱安定性と安全性で知られていますが,エネルギー密度が低く,サイクル寿命が短く制限されています.電動工具やハイブリッド車両で一般的に使用されます.
• リチウムニッケル酸化物 (LNO):エネルギー密度が非常に高いが,安全リスクや熱不安定性も大きい.
• ニッケルコバルトアルミニウム (NCA):コバルトとアルミニウムで強化されたNCA電池は,高いエネルギー密度と長いサイクルの寿命を組み合わせ,テスラの電気自動車で人気があります.
• リチウム鉄リン酸 (LFP):熱安定性,安全性,低エネルギー密度で長サイクル寿命でコスト効率が優れている.主にエネルギー貯蔵システムと電気バスで使用される.
• ニッケルマンガンコバルト (NMC):最も汎用的なタイプであるNMC電池は ニーケル,マンガン,コバルトの調整可能な比率で エネルギー密度,安全性,コストをバランスさせます電動工具消費電子機器

現在のアノード材料には,以下が含まれます.

• グラフィット:低コストで安定した性能があるため最も一般的な陽極材料ですが,エネルギー密度の高い可能性は限られています.
• リチウムチタナート (LTO):急速な充電能力で例外的な安全性と寿命を提供していますが,高いコストと低いエネルギー密度は,電気バスやエネルギー貯蔵などの特殊なアプリケーションに使用を制限します.
• シリコンベースの材料:理論的にはエネルギー密度が非常に高いが,サイクリング中に膨張問題がある.現在,グラフィットによる複合形に使用されている.
• メタリックリチウム:最大エネルギー密度を持つ理想的な陽極材料ですが デンブリット形成のような安全上の問題で悩まされています まだ開発中です

リチウムイオン電池は,電解質形態によって分類される:

• 液体電解電池:最も一般的なタイプで エネルギー密度が高く コストも低く 燃やす可能性も高い
• 固体電池:固体電解質の使用により安全性とエネルギー密度が向上します これは次世代の技術と考えられていますが,現在コストと技術的な課題に直面しています
• リチウムポリマー電池:柔軟な形状因子と安全性の向上のためにポリマー電解質を使用します.通常は消費者電子機器で見つけられますが,エネルギー密度は低いです.

物理的構成には以下が含まれます.

• 円筒状の電池:標準化され 費用対効果が高く 電動工具やラップトップで広く使われています
• プリズマ細胞:より高いエネルギー密度とモジュール組立が簡単で,電気自動車やエネルギー貯蔵に好ましい.
• バッグセル:スマートフォンやタブレットに 優れた安全性があります

リチウムイオン電池の燃える有機電解質は,過充電,過放電,短回路,高温の条件下で熱脱出の危険性があります.安全対策には,以下が含まれます.

• LFP や LTO などの熱安定性のあるカソード材料を選択する
• 固体電解質の導入
• 防空口と隔離コーティングを組み込む
• リアルタイムモニタリングのための堅牢なバッテリー管理システム (BMS) の導入

リチウムイオン電池は様々な分野に電力を供給します

• 消費電子機器 (スマートフォン,ノートPC,カメラ)
• 電動工具 (ドリル,サー,スクリュードライバー)
• 電気自動車 (BEV,HEV,PHEV)
• エネルギー貯蔵システム (住宅用,商業用,グリッド用)
• 航空宇宙 (無人機,衛星,宇宙ステーション)
• 医療機器 (持ち運び可能な機器と植入可能な機器)

使用期末のリチウムイオン電池には,リチウム,コバルト,ニッケルなどの貴重な金属が含まれています.不適切な処分は資源を浪費し,環境を危険にさらします.現在のリサイクル方法には以下が含まれます:

• ピロメタルルギー:高温で金属を抽出し,有意な排出量を生む
• 水金属:環境への影響が低い化学溶解プロセス,現在では支配的なアプローチ

適切なリチウムイオン電池を選択するには,次のことを評価する必要があります.

• アプリケーション特有のニーズ (エネルギー/電力密度,安全性,使用寿命)
• 予算の制約
• 安全性
• サイクルの寿命要件
• サイズと重量の制限

リチウムイオン電池は エネルギー貯蔵技術の変革として 材料革新と製造の進歩によって 進化し続けています炭素中立性を達成し,世界中に持続可能なエネルギーシステムを構築する上で重要な役割を果たす..