大学 · 30分
リチウムイオン電池の内部：Li⁺ シャトル
放電中に Li⁺ が負極・電解質・正極をたどる経路を追い、レートを変え、シャトル描像を容量劣化や急速充電の限界に結びつける。
目的
放電の半反応 と を対応付け、セパレーターが Li⁺ を通し電子を遮らなければならない理由を説明する。
器具と試薬
仮想セル：レート制御つき3区画のフロー図。読み取りの発想——毎秒セパレーターを横切る Li⁺ を数える。
手順
- レートを最小にして1個の Li⁺ が負極を離れるのを見る。それが表す脱挿入半反応を書く。
- セパレーターを通るのを追う。電子はこの道を通れない——どこへ行くのか。
- 正極でイオンは酸化物層間に挿入される。層状の や NMC が宿主に選ばれる理由と結びつける。
- レートを最大にする。どの区画がボトルネックになるか（粒子内の固相拡散）を想像し、急速充電への含意を考える。
観察すること
- Li⁺ と電子は負極で分かれ正極で再会する。イオンはセル内部を、電子は外部回路を通り仕事をする。
- 内部で動くのはイオンだけ。破線のセパレーターはイオンを通すが、そのポリマー壁は電子のショートカット（セルの短絡）を防ぐ。
- 放電が速いほど毎秒移動するイオンが増える——同じ描像が高Cレートでの発熱と拡散限界を説明する。
解説
リチウムイオン電池が動くのは、Li⁺ が宿主格子を壊さずに出入りできるからである。黒鉛はグラフェン層間に Li を保持し（最大 、理論372 mAh/g）、 などの層状酸化物が再び受け入れて約3.7 V を出す。電解質は Li⁺ 伝導体かつ電子絶縁体でなければならず、多孔ポリエチレンセパレーターが物理的障壁となる。劣化（SEI成長、急速充電時のリチウム析出、正極の割れ）はすべてシャトルが乗客を失う形で現れる。
実験の歴史
ホイッティンガムは最初のリチウムイオン電極（、1976）を作り、グッドイナフは4 V の 正極を見出し（1980）、吉野は炭素負極の商用セル（ソニー、1991）を実現した——ノーベル賞2019年。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。