代替エネルギー材料 リチウムイオン電池

充電式リチウムイオン（Li-ion）電池は90年代初頭に開発されて以来大きく発展し、今では、携帯電話やノートPC、タブレットPC、ゲーム機、音楽プレーヤーなど、携帯用電子機器産業になくてはならない重要な構成部品となっています。リチウムイオン電池（LIB）は、その長時間駆動性および高出力密度性（W/kg）によって小型で軽量の電池を作製できることから、モバイル用途に特に最適な電池です。

 

基本原理と典型的な材料

リチウムイオン電池は、その他の電池と同様に3つの主要な材料、2つの電極（アノードとカソード）と電解質から構成されています。リチウムイオン電池の場合（図1）、1価のリチウムカチオンは、充電サイクルの際は負極（アノード）へ移動し、放電サイクルの際は正極（カソード）へ移動します^1-2。

図1 典型的なリチウムイオン電池の模式図

従来型のカソード材料は、一般的に2つの構造に分類されます。1つはLiCoO₂（442704）系の材料で、層状の菱面体構造を持ち、金属カチオンの平面シートの間を2次元的にLi⁺イオンが移動可能です。もう1つはLiMn₂O₄（482277、725129）系材料で、スピネル構造を持ち、Li⁺イオンが3次元的に移動することができます³。LiCoO₂やNiやAlで置換した複合金属類似体は、その優れた特性とこれまでの知見から、現在最も広く利用されているカソード材料です。Mnベースのスピネル化合物はLiCoO₂比べて若干性能が落ちますが、製造コストが安価で、電池を大規模に利用するニッチな用途で用いられます。一方、アノード材料は通常炭素系材料から作製され、電解質には一般的にLiBF₄（451622）やLiPF₆（450227）が用いられています⁴。

 

次世代リチウムイオン電池の材料

セルの最適化のためにはカソード、アノード両材料の選択が重要であり、リチウムイオン電池研究では新規材料の開発が最も急務となっています。現在期待されているカソード材料はLiMn_1.5Ni_0.5O₄（725110）などの複合金属酸化物や、LiCoPO₄（725145）などの金属リン酸塩があります⁵。また、Li₄Ti₅O₁₂（702277）やSnO₂（549657）などの酸化物は代替アノード材料として注目されています。

新規リチウムイオン電池材料の探索と平行して、新たなデバイス製造法の開発も活発に行われています。近年の成果として、ナノスケールもしくはサブミクロンスケールのLiMn₂O₄やLiCoPO₄粉末を用いた電池材料の作製が行われています⁶。サブミクロンLi-ion電池材料は、その体積に対する表面の割合の大きいことや高表面積であることなどから、いくつかの興味深い特性を示します。たとえば、(1)電極と電解液との界面における接触面が広い、(2)粒子の内部から粒界までのLi⁺イオンの拡散距離が減少する、などの効果が挙げられます。また、機械的特性の面からは優れた耐疲労性が得られる可能性があり、充電・放電サイクルの体積変化によって生じるゆがみに耐えることが期待されます⁶。

 

カソード材料

製品番号	製品名	粒径	化学式
442704	Lithium cobalt(III) oxide 99.8%		LiCoO2
725145	Lithium cobalt phosphate powder 99%	<0.5 μm (TEM)	LiCoPO4
442712	Lithium iron(III) oxide 95%		LiFeO2
725137	Lithium manganese dioxide powder >99 %	<1 μm	LiMnO2
725110	Lithium manganese nickel oxide spinel 99%	<0.5 μm (TEM)	Li2Mn3NiO8
725129	Lithium manganese oxide spinel >99%	<0.5 μm (BET)	LiMn2O4
482277	Lithium manganese(III,IV) oxide electrochemical grade		LiMn2O4
400904	Lithium molybdate 99.9%		Li2MoO4

 

アノード材料

製品番号	製品名	粒径	化学式
444456	Lithium granular, high sodium, 99%		Li
265985	Lithium ribbon, thickness × W 0.38 mm × 23 mm, 99.9%		Li
320080	Lithium ribbon, thickness × W 0.75 mm × 19 mm, 99.9%		Li
265993	Lithium ribbon, thickness × W 0.75 mm × 45 mm, 99.9%		Li
266000	Lithium ribbon, thickness × W 1.5 mm × 100 mm, 99.9%		Li
278327	Lithium wire, diam. 3.2 mm, in mineral oil, ≥98%		Li
426490	Lithium-aluminum alloy		Al-Li
400939	Lithium titanate	−325 mesh	Li2TiO3
702277	Lithium titanate, spinel nanopowder >99%	<100 nm (BET)	Li4Ti5O12
549657	Tin(IV) oxide nanopowder	<100 nm (BET)	SnO2

 

電解質材料

製品番号	製品名	化学式
308315	Lithium hexafluoroarsenate(V) 98%	LiAsF6
450227	Lithium hexafluorophosphate battery grade, ≥99.99%	LiPF6
634565	Lithium perchlorate battery grade, dry, 99.99%	LiClO4
442682	Lithium phosphate monobasic 99%	LiH2PO4
451142	Lithium tetrachloroaluminate anhydrous, beads, −10 mesh, 99.99%	LiAlCl4
451622	Lithium tetrafluoroborate anhydrous, powder, 99.998%	LiBF4
481548	Lithium trifluoromethanesulfonate 99.995%	CF3SO3Li
259527	1,2-Dimethoxyethane, anhydrous, 99.5%	CH3OCH2CH2OCH3
517135	Diethyl carbonate anhydrous, ≥99%	(C2H5O)2CO
517127	Dimethyl carbonate anhydrous, ≥99%	(CH3O)2CO
676802	Ethylene carbonate, anhydrous, 99%	C3H4O3
310328	Propylene carbonate anhydrous, 99.7%	CH3C3H4O3

その他の電池材料製品は、USサイトのWebカタログ「電極材料」、「電解質」をご覧ください。また、弊社季刊誌Material Matters Vol.5, No.2 「ナノ材料」に、「リチウムイオン電池に用いられるエネルギー貯蔵用ナノ材料」と題したレビューが記載されています。あわせてご覧ください。

 

References

1. Manthiram, A. Materials Aspects: An Overview. In Lithium Batteries: Science and Technology; Nazri, G.-A. and Pistoia, G., Eds.; Springer: New York, 2003.
2. Yoshio, M. and Noguchi, H. A Review of Positive Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries. In Lithium-ion Batteries: Science and Technology; Yoshio, M; Brodd, R.J.; Kozawa, A., Eds.; Springer: New York, 2009.
3. Gao, Y. and Dahn, J.R. J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 100-114.
4. Howell, D.; Duong, T.; Deppe, J.B.; Weinstock, I. Material Matters 2008, 3(4), 26.
5. Amine, K.; Yasuda, H.; Yamachi, M. Electrochem. Solid State Lett. 2000, 3, 178-179.
6. Venugopal, G.; Hunt, A.; Alamgir, F. Material Matters 2010, 5(2), 14.

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