材料化学

リチウムイオン電池・全固体電池・リチウム硫黄電池

リチウムの可逆貯蔵、電池電圧と容量、および液系・全固体系・リチウム硫黄電池を制限する材料と界面を学びます。

直観再充電できる化学シャトル

放電時、リチウムは負極から電解質を通って正極へ移動し、電子は外部回路を流れます。充電では向きが逆になります。電解質はイオンを通し、電子を遮断して内部短絡を防ぐのが理想です。

充放電時の電解質中のリチウムイオン輸送と、外部負荷を通る電子流を追います。

定義: インターカレーション

一般的な黒鉛負極は炭素層間にリチウムを貯蔵し、層状遷移金属酸化物やリン酸塩が正極に使われます。実際の作動電圧は材料名だけでなく、リチウムの化学ポテンシャル差で決まります。

Q=nF,\qquad E_{\mathrm{cell}}=-\frac{\Delta G}{nF}

例

解答

Q = F = 96485 C mol⁻¹です。1 Ah = 3600 Cより、Q = 26.8 Ah mol⁻¹です。

開回路電圧は移動電荷当たりのギブズエネルギー変化に関係します。実電池では組成と活量により電極電位が変わり、ネルンスト式が平衡傾向を記述します。電流下ではオーム損、電荷移動速度論、物質輸送が分極を生み端子電圧を下げます。

固体電解質には、実用的なLi⁺伝導性、電子絶縁性、化学・電気化学安定性、多孔質電極との良好な接触が必要です。粒界や界面相が抵抗を支配することがあります。多くの液系Li–S電池では硫黄変換中に可溶性ポリスルフィドが生じ、高理論容量と引き換えにシャトルや活物質損失が起こります。