リチウムイオン電池の主な構成部品
(1) カソード（正極）– 活物質には、主にコバルト酸化リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケル酸化リチウム、ニッケル・コバルト・マンガンの三元材料などが含まれます。導電性集電体としては、通常、厚さ10～20マイクロメートルのアルミニウム箔が使用されます。
(2) セパレータ– 電子を絶縁しながらリチウムイオンを通過させる特殊なプラスチック膜。現在、主にPE、PP、またはそれらの複合材料で作られています。無機固体セパレータもあります。たとえば、アルミナコーティングされたセパレーターは、無機固体セパレーターの一種です。
(3) アノード（負極）– 活物質には主にグラファイト、チタン酸リチウム、またはグラファイト状の構造を持つ炭素材料が含まれます。導電性集電体としては、厚さ 7 ～ 15 マイクロメートルの銅箔が一般的に使用されます。
(4) 電解質– 一般的には、六フッ化リン酸リチウムを溶解した炭酸塩ベースの溶媒などの有機系。一部のポリマー電池はゲルタイプの電解質を採用しています。
(5) バッテリーケース– 主にハードケース（スチールシェル、アルミニウムシェル、ニッケルメッキ鉄シェルなど）とソフトパックケース（アルミニウムプラスチックフィルム）に分けられます。
充電中、リチウムイオンはカソードから脱離し、アノードに挿入されます。放電時には逆のことが起こります。組み立てる前に、一方の電極はリチウムが挿入された状態にする必要があります。一般に、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 など、リチウムに対して 3 V より高い電位を持ち、空気中で安定な、リチウムが挿入された遷移金属酸化物が正極材料として選択されます。
アノード材料は、さまざまな炭素材料（天然黒鉛、人造黒鉛、炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズなど）や、SnO、SnO₂、錫複合酸化物などの金属酸化物SnBₓPᵧO_z（x=0.4–0.6、y=0.6–0.4、 z=(2 + 3x + 5y)/2)。
電解液にはエチレンカーボネート（EC）、プロピレンカーボネート（PC）、低粘度ジエチルカーボネート（DEC）などのアルキルカーボネートをLiPF6で溶解した混合溶媒系を採用しています。
セパレータは、PE、PP、またはそれらの複合体のポリオレフィン微多孔性フィルムです。特に、PP/PE/PP の 3 層セパレータは、融点が低く、耐突刺性が高く、温度安全ヒューズとして機能します。
ケースはスチールまたはアルミ製で、カバーAssyには防爆機能と電源遮断機能が付いています。
基本的な動作原理
バッテリーが充電されると、正極のリチウム含有化合物からリチウムイオンが抽出され、電解質を通って負極に移動します。負極の炭素材料は多数の微細孔を有する層状構造をしており、そこにリチウムイオンが埋め込まれています。より多くのリチウムイオンが埋め込まれているほど、充電容量が高くなります。
放電中（バッテリーの使用中）、アノードの炭素層に埋め込まれたリチウムイオンが抽出され、カソードに戻ります。カソードに戻るリチウムイオンが多いほど、放電容量が高くなります。私たちが通常言うバッテリー容量は放電容量です。
リチウムイオン電池の充放電サイクル中、リチウムイオンは正極と負極の間を往復します。これはロッキングチェアに似ています。椅子の両端が 2 つの電極を表し、リチウム イオンが電極間を繰り返し移動します。したがって、リチウムイオン電池はロッキングチェア型電池とも呼ばれます。
充放電機構
リチウムイオン電池の充電プロセスは、定電流充電と電流を徐々に減少させて行う定電圧充電の 2 段階で構成されます。
過充電と過放電は、カソードとアノードに永久的な損傷を与えます。過放電によりアノード炭素の層状構造が崩壊し、その後の充電中にリチウムイオンが挿入できなくなります。過充電により、過剰なリチウムイオンがアノードの炭素構造に埋め込まれ、一部のリチウムイオンが永久に抽出できなくなります。
リチウムイオン電池の性能を維持するための最適な充放電パターンは、浅い充電と浅い放電です。一般に、60% の放電深度 (DOD) でのサイクル寿命は、100% の DOD でのサイクル寿命の 2 ～ 4 倍です。
