リチウム イオンは +1 の電荷を帯びており、この基本的な特性がデバイスに電力を供給するリチウム イオン充電を駆動するものです。正の極を持つ磁石のようなものだと考えてください。常に引っ張られており、中立になることはありません。この 1 つの正電荷が、所有するすべてのリチウム イオン バッテリーの原動力となります。
この電荷が原子レベルで存在する理由と、リチウム イオン電荷がポケットの 3.7 v リチウム電池をどのように流れるかについて学びます。最後には、スマートフォンから電気自動車に至るまで、日常のデバイスの背後にある単純な科学を理解できるようになります。
あ リチウムイオンは 安定するために電子を 1 つ手放すため、+1 の電荷を持ちます。
この +1 電荷によってイオンがバッテリー内に押し込まれ、デバイスを動作させる電流が生成されます。
この単純な充電を理解すると、バッテリーがどのように機能し、なぜ効率的であるかを理解するのに役立ちます。
すべての原子には 3 つの基本粒子が含まれています。陽子は正の電荷を持っています。中性子は中性なので、電気的な引力はありません。電子はマイナスの電荷を持っています。原子を小さな太陽系のようなものと考えてください。核は中心にあります。原子核の中では陽子と中性子が集まっています。電子は原子核の周りを殻の中で周回します。
リチウムの原子番号は 3 です。つまり、原子核に 3 つの陽子があることを意味します。中性のリチウム原子にも電子が 3 つあります。プラスとマイナスの電荷は互いにバランスを保っています。原子には全体的な電荷がありません。電気的に平衡状態にあるのです。
財産 |
価値 |
|---|---|
原子番号 |
3 |
6.94 |
天然に存在するリチウムには、同位体と呼ばれる 2 つの形態があります。リチウム 6 には 3 つの陽子と 3 つの中性子があります。 リチウム7に は陽子が3つあり、 中性子4個。リチウム 7 の方がはるかに一般的です。それは補います 92％以上。 天然リチウムのどちらの同位体も、中性状態では 3 つの陽子と 3 つの電子を持っています。陽子と電子のバランスはどちらの形態でも同じです。
中性のリチウム原子には、3 つの正の陽子があります。マイナス電子も３つあります。原子はバランスがとれています。しかし、このバランスは長くは続きません。
価電子 は、 最外殻。 原子のこれらの電子は化学結合を形成することができます。それらは、原子が他の原子とどのように反応するかを決定します。
リチウムの電子配置は 1s⊃2;2s⊃1; です。最初の殻は 2 つの電子を保持します。 2 番目の殻は 1 つの電子を保持します。その外側の 1 つの電子が価電子です。この電子は原子核によって緩く保持されています。
原子は安定性を求めます。彼らは完全な外殻を望んでいます。ヘリウムにはすでにこれがあります。ヘリウムには 2 つの電子を備えた完全な第一殻があります。リチウムは、価電子を 1 つ失うことで同じ状態に到達できます。
この電子を取り除くにはエネルギーが必要です。リチウムの第一イオン化エネルギーは、 520kJ/mol.
リチウムの最初のイオン化エネルギーは 520 kJ/mol です。
これを電子を獲得することと比較してください。リチウムが電子を獲得すると、電子だけを放出します 59.6 kJ/mol 。リチウムは電子を失うことを好みます。結果として得られる安定性が取引に価値をもたらします。
リチウムが価電子を失うと、原子が変化します。陽子は 3 つありますが、電子は 2 つだけです。正の電荷が負の電荷を上回ります。その結果、正味電荷は +1 になります。
配置 1s⊃2;2s⊃1; のリチウムは、電子に到達するまでに 1 つの電子を失います。 ヘリウムの希ガス配置、1s⊃2;、Li⁺を形成。 Li⁺ と He は同じ電子配置を持っています。
これがリチウムイオン充電量です。原子は中性リチウムからリチウムイオンに変化します。このイオンの正味の正電荷は +1 です。この単純な事実が原動力となる バッテリーの化学的性質原子はその電子を取り除きたいと考えています。安定した状態に到達したいと考えています。この欲求がデバイスに力を与えます。
画像出典: ピクセル
リチウムイオン電池には 3 つの重要な部分があります。アノードは負極です。カソードは正極です。 電解質はそれらの間に位置し、イオンを移動させます。リチウムイオンは通過させますが、電子はブロックします。 LiPF₆ などのリチウム塩は液体に溶解してこの経路を形成します。電解質のイオンを運ぶ能力は約 10mS/cm 。 室温でこの速度によって、バッテリーがどれだけ速く放電できるかが決まります。
デバイスを使用すると、バッテリーが放電し始めます。 アノードのリチウム原子は電子を失います。これを酸化といいます。原子は Li⁺ イオンになります。 +1 のリチウムイオン充電がプロセス全体を推進します。
電解質はこれらの陽イオンを運びます アノードからカソードまで。電子は別の経路をたどります。これらは外部回路を通って移動します。これにより、デバイスに電力が供給されます。このパスの分離は非常に重要です。回路内の電子の流れによって、携帯電話が使用する電流が生成されます。
市販の電池のアノードは、多くの場合、次のものでできています。 グラファイト、シリコン、または両方の混合物。正極材料はさらに多様です。メーカーはコバルト酸リチウム (LCO)、酸化マンガンリチウム (LMO)、リン酸鉄リチウム (LFP)、または酸化ニッケルマンガンコバルトリチウム (NMC) を使用しています。各ミックスではわずかに異なるパフォーマンスが得られます。
バッテリーのラベルに表示されている電圧は、この化学プロセスから生じたものです。 1 つのセルが与える 公称電圧は 3.6V ～ 3.7V です。 3.7V という数字は、多くの場合、マーケティング ラベルとして使用されます。放電中の実際の平均は 3.6V に近くなります。この電圧は、電極材料の特定の特性から生じます。
アノード酸化反応により電子が外部回路に送られます。
これらの電子は回路を通って正極に向かって移動します。
陰極還元反応はこれらの電子を使用します。
電子の放出速度によって、デバイスに流れる電流の量が決まります。
充電はこのプロセス全体を逆に行います。外部電源は電子を陽極に向かって押し戻します。リチウムイオンは電解質を通って戻って結合します。この逆の流れにより、バッテリーは準備完了状態に戻ります。
イオンはグラファイト層に滑り込みます。 インターカレーション。このプロセス グラファイト層の間にリチウムイオンを配置します。 構造を破壊することなく、フレームワークはそのままなので、バッテリーが長持ちします。放電中、イオンは脱離によって出てカソードに戻ります。
このサイクルは非常に高い効率で繰り返されます。リチウムイオン電池には、 99%を超えるクーロン効率。一部のセルは 99.1% で開始し、15 サイクル後に 99.5% に向上します。他のものは 99.5% から始まり、99.5% に達します 30 サイクル後 99.9% 。これは、ほぼすべての電子とイオンが有用な働きをすることを意味します。
1 つのセルのフル充電電圧は通常 4.2V です。放電カットオフは約 3.0V です。公称 3.7V リチウム電池は この範囲内で動作します。あなたが所有するすべての 3.7V リチウム バッテリーは、これと同じ基本的な化学反応を使用します。
+1 チャージがこのプロセス全体を推進します。それがなければイオンは動きません。電子は流れなくなります。充電式バッテリーは動作しません。この単純な正電荷は化学エネルギーを電力に変換します。スマートフォンから電気自動車まであらゆるものに電力を供給します。
+1のリチウムイオン充電は、1個の失われた電子から始まります。この正電荷はイオンをアノードからカソードに移動させ、またその逆に移動させます。あなたは毎日この流れに依存しています。同じ化学反応がスマートフォンと電気自動車に動力を与えます。リチウムイオン電池の世界的な需要予測 2030 年までに 2,722 GWh 。 3.7v リチウム バッテリーは、このエレガントな原理に基づいています。この充電により、現代のポータブル電源が可能になります。
リチウム原子は電子を 1 つ放出して安定します。その後、陽子は 3 つありますが、電子は 2 つだけになります。余分な陽子はリチウムイオンに +1 の電荷を与えます。
完全に充電されると、1 つのセルが 4.2V に達します。通常の定格は 3.7V です。あなたの 3.7v リチウム電池は、 日常使用では 3.0V ～ 4.2V で動作します。
ほとんどのリチウムイオン電池は、顕著な容量が失われるまでに 300 ～ 500 回のフル充電に耐えることができます。 1 つの完全なサイクルは、1 回の充電と 1 回の放電を意味します。充電式バッテリーはサイクルごとにゆっくりと消耗します。
