リチウムイオン電池またはリチウムイオン電池（LIBと略記）は、充電式電池の一種です。リチウムイオン電池は、携帯用電子機器や電気自動車に一般的に使用されており、軍事および航空宇宙用途で人気が高まっています。プロトタイプのリチウムイオン電池は、1970年代から1980年代にかけてのジョン・グッドイナフ、スタンリー・ウィッティンガム、ラシド・ヤザミ、水島公一の初期の研究に基づいて、1985年に吉野彰によって開発されました。 1991年に西美緒が率いるソニーと朝日加成チーム。2019年、吉野彰、グッドイナフ、ウィッティンガムに「リチウムイオン電池の開発」でノーベル化学賞が授与されました。

電池では、リチウムイオンは放電時に負極から電解質を通って正極に移動し、充電時に戻ります。リチウムイオン電池は、正極に挿入されたリチウム化合物を材料として使用し、通常、負極にグラファイトを使用します。バッテリーはエネルギー密度が高く、メモリー効果がなく（LFPセルを除く）、自己放電が少ない。ただし、可燃性電解液が含まれているため、安全上の問題が発生する可能性があります。また、損傷したり、誤って充電したりすると、爆発や火災につながる可能性があります。サムスンはリチウムイオンの火災に続いてギャラクシーノート7の携帯電話をリコールすることを余儀なくされ、ボーイング787のバッテリーに関連するいくつかの事件がありました。

化学的性質、性能、コスト、および安全性の特性は、LIBタイプによって異なります。ハンドヘルド電子機器は、主にリチウムポリマー電池（電解質としてポリマーゲルを使用）を使用し、カソード材料としてコバルト酸リチウム（LiCoO2）を使用します。これは、高いエネルギー密度を提供しますが、特に損傷した場合に安全上のリスクがあります。リン酸鉄リチウム（LiFePO4）、酸化リチウムマンガン（LiMn2O4、Li2MnO3、またはLMO）、およびリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNiMnCoO2またはNMC）は、エネルギー密度は低くなりますが、寿命が長くなり、火災や爆発の可能性が低くなります。このような電池は、電動工具、医療機器、その他の役割に広く使用されています。NMCとその派生物は、電気自動車で広く使用されています。

リチウムイオン電池の研究分野には、寿命の延長、エネルギー密度の向上、安全性の向上、コストの削減、充電速度の向上などがあります。典型的な電解質に使用される有機溶媒の可燃性と揮発性に基づいて安全性を高めるための経路として、不燃性電解質の分野で研究が進行中です。戦略には、水系リチウムイオン電池、セラミック固体電解質、ポリマー電解質、イオン液体、および高フッ素化システムが含まれます。

バッテリー対セル

セルは、電極、セパレーター、および電解質を含む基本的な電気化学ユニットです。

バッテリーまたはバッテリーパックは、セルまたはセルアセンブリの集合体であり、ハウジング、電気接続、および場合によっては制御と保護のための電子機器を備えています。

アノード電極とカソード電極
充電式電池の場合、アノード（または負極）という用語は、放電サイクル中に酸化が発生している電極を示します。もう一方の電極は陰極（または正極）です。充電サイクル中、正極がアノードになり、負極がカソードになります。ほとんどのリチウムイオン電池では、酸化リチウム電極が正極です。チタン酸リチウムイオン電池（LTO）の場合、酸化リチウム電極が負極です。

歴史

バックグラウンド

ファルタリチウムイオン電池、Museum Autovision、Altlussheim、ドイツ
リチウム電池は、1970年代にエクソンで働いていたときに、英国の化学者であり、2019年のノーベル化学賞の共同受賞者であるM.スタンリーウィッティンガム（現在はビンガムトン大学）によって提案されました。Whittinghamは、電極として硫化チタン（IV）と金属リチウムを使用しました。しかし、この充電式リチウム電池を実用化することはできませんでした。二硫化チタンは、完全に密閉された条件下で合成する必要があり、非常に高価であるため、不適切な選択でした（1970年代の二硫化チタン原料の場合は1キログラムあたり約1,000ドル）。空気にさらされると、二硫化チタンが反応して硫化水素化合物を形成します。硫化水素化合物は不快な臭いがあり、ほとんどの動物に有毒です。この理由およびその他の理由により、エクソンはウィッティンガムのリチウムチタンジスルフィド電池の開発を中止しました。[28]金属リチウム電極を備えたバッテリーは、リチウム金属が水と反応して可燃性水素ガスを放出するため、安全上の問題がありました。その結果、研究は、金属リチウムの代わりにリチウム化合物のみが存在し、リチウムイオンを受け入れおよび放出することができる電池の開発に移りました。

グラファイトへの可逆的インターカレーションと陰極酸化物へのインターカレーションは、1974年から76年にミュンヘン工科大学のJOBesenhardによって発見されました。Besenhardは、リチウム電池への応用を提案しました。電解質の分解とグラファイトへの溶媒の同時インターカレーションは、バッテリー寿命の初期の深刻な欠点でした。

発達

1973年– Adam Hellerは、20年以上の貯蔵寿命、高いエネルギー密度、および/または極端な動作温度への耐性が要求される、埋め込まれた医療機器や防衛システムで現在も使用されている塩化チオニルリチウム電池を提案しました。
1977 – Samar Basuは、ペンシルベニア大学でグラファイトへのリチウムの電気化学的インターカレーションを実証しました。これは、ベル研究所（LiC6）で、リチウム金属電極バッテリーの代替品を提供するための、実行可能なリチウム挿入グラファイト電極の開発につながりました。
1979 –別々のグループで作業し、Ned A. Godshall et al。、そしてその後まもなく、John B. Goodenough（オックスフォード大学）と水島公一（東京大学）が、リチウムを使用して4V範囲の電圧で充電可能なリチウムセルを実証しました。正極としてコバルト酸リチウム（LiCoO2）、負極としてリチウム金属。この革新により、初期の商用リチウム電池を可能にする正極材料が提供されました。LiCoO2は、リチウムイオンのドナーとして機能する安定した正極材料です。つまり、リチウム金属以外の負極材料と一緒に使用できます。LiCoO2は、安定した扱いやすい負極材料の使用を可能にすることで、新しい二次電池システムを可能にしました。Godshall etal。さらに、スピネルLiMn2O4、Li2MnO3、LiMnO2、LiFeO2、LiFe5O8、およびLiFe5O4（および1985年にリチウム銅酸化物およびリチウムニッケル酸化物カソード材料）などの三元化合物リチウム遷移金属酸化物の同様の値を特定しました。
1980 – Rachid Yazamiは、グラファイトへのリチウムの可逆的な電気化学的インターカレーションを実証し、リチウムグラファイト電極（アノード）を発明しました。その時点で利用可能な有機電解質は、グラファイト負極での充電中に分解します。ヤザミは、固体電解質を使用して、電気化学的メカニズムによってリチウムをグラファイトに可逆的に挿入できることを実証しました。2011年現在、ヤザミのグラファイト電極は、市販のリチウムイオン電池で最も一般的に使用されている電極でした。
負極は、山辺時男が1980年代初頭に矢田修二によって発見されたPAS（ポリアセン半導体材料）に端を発しています。この技術の種は、白川英樹教授らによる導電性高分子の発見であり、アラン・マクダイアミッドとアラン・J・ヒーガーらが開発したポリアセチレンリチウムイオン電池から始まったと見ることもできます。
1982 – Godshall etal。ゴッドシャルのスタンフォード大学博士号に基づいて、リチウム電池のカソードとしてLiCoO2を使用したことで米国特許4,340,652を取得しました。論文と1979年の出版物。
1983 – Michael M. Thackeray、Peter Bruce、William David、およびJohn Goodenoughは、リチウムイオン電池用の商業的に関連する帯電カソード材料としてマンガンスピネルを開発しました。
1985年–吉野彰は、一方の電極にリチウムイオンを挿入し、もう一方の電極にコバルト酸リチウム（LiCoO2）を挿入できる炭素質材料を使用して、プロトタイプセルを組み立てました。これにより、安全性が劇的に向上しました。LiCoO2は、工業規模の生産を可能にし、商用リチウムイオン電池を可能にしました。
1989 – ArumugamManthiramとJohnB。Goodenoughは、カソードのポリアニオンクラスを発見しました。彼らは、ポリアニオン、例えば硫酸塩を含む正極が、ポリアニオンの誘導効果のために酸化物よりも高い電圧を生成することを示した。このポリアニオンクラスには、リン酸鉄リチウムなどの材料が含まれています。

<続く…>