リチウムポリマーバッテリー
リチウムポリマーバッテリー
Samsung Galaxy Tab 2 7.0に電力を供給する、14.8Wh、4000mAhのリチウムポリマーバッテリー
比エネルギー100 ～265Wh / kg (0.36～0.95MJ/kg) [ 1 ]
エネルギー密度250 ～ 670Wh / L (0.90～2.63MJ/L) [ 1 ]

リチウムポリマー電池、より正確にはリチウムイオンポリマー電池（LiPo、LIP、Li-poly、lithium-polyなどと略される）は、リチウムイオンおよびリチウム金属電池技術から派生した充電式電池である。主な違いは、電解質として有機溶媒（ EC / DMC / DECなど）に保持された液体リチウム塩（六フッ化リン酸リチウム、LiPF 6など）を使用する代わりに、ポリエチレングリコール（PEG）、ポリアクリロニトリル（PAN） 、ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA） 、ポリ（フッ化ビニリデン）（PVdF）などの固体（または半固体）ポリマー電解質を使用することである。このシステムの文献で使用される他の用語には、ハイブリッドポリマー電解質（HPE）があり、ハイブリッドはポリマーマトリックス、液体溶媒、および塩の組み合わせを示す。[ 2 ]

ポリマー電解質は、乾燥固体ポリマー電解質（SPE）とゲルポリマー電解質（GPE）の2つの大きなカテゴリに分けられます。[ 3 ]

液体電解質や固体有機電解質と比較して、ポリマー電解質は、充放電プロセス全体における電極の体積変化に対する耐性の向上、安全性の向上、優れた柔軟性などの利点を有します。これらの電池は、他の種類のリチウム電池よりも 高い比エネルギーを提供します。

ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、ラジコン飛行機、一部の電気自動車など、重量が重要となる用途で使用されています。[ 4 ]

歴史

乾式SPEは、1978年頃にミシェル・アルマンによって初めて試作電池に使用され、[ 5 ] [ 6 ] 、 1985年にはフランスのANVARとエルフ・アキテーヌ、カナダのハイドロ・ケベックによって使用されました。[ 7 ]

西氏によると、ソニーは1991年に液体電解質リチウムイオン電池を商品化する前の1988年に、ゲル化ポリマー電解質（GPE）を用いたリチウムイオン電池の研究を開始したという。[ 8 ]当時、ポリマー電池は有望視されており、ポリマー電解質は不可欠なものになると思われていた。[ 9 ]最終的に、このタイプの電池は1998年に市場に投入された。[ 8 ]しかし、スクロサティ氏は、厳密な意味では、ゲル化膜は「真の」ポリマー電解質とは分類できず、むしろ液体相がポリマーマトリックス内に含まれるハイブリッドシステムであると主張している。[ 10 ]これらのポリマー電解質は触ると乾燥しているように見えるが、30%から50%の液体溶媒を含むことがある。[ 11 ]

1990年以降、米国のミード社やヴァレンス社、日本のGSユアサ社など、いくつかの企業がゲル状SPEを用いた電池を開発してきた。 [ 7 ]

1996年に米国のベルコア社は多孔質SPEを使用した充電式リチウムポリマー電池を発表した。 [ 7 ] [ 12 ]これはプラスチックリチウムイオン電池（PLiON ）と呼ばれ、その後1999年に商品化された。[ 2 ]

動作原理

他のリチウムイオン電池と同様に、LiPoは正極と負極の間のリチウムイオンの挿入と脱離に基づいて動作します。ただし、LiPoは通常、液体電解質の代わりに、ゲル状または固体のポリマーベースの電解質を導電性媒体として使用します。微多孔性ポリマーセパレーターは、リチウムイオンの移動を可能にしながら、電極間の直接接触を防ぐために使用されます。[ 13 ]

コンポーネント

典型的なセルは、正極、負極、セパレーター、電解質の 4 つの主要コンポーネントから構成されます。セパレーター自体は、ポリエチレン(PE) やポリプロピレン(PP)の微多孔フィルムなどのポリマーである可能性があるため、セルが液体電解質を使用している場合でも、ポリマーコンポーネントが含まれます。これに加えて、正極は、リチウム遷移金属酸化物 (LiCoO 2や LiMn 2 O 4など)、導電助剤、ポリフッ化ビニリデン(PVdF) のポリマーバインダーの 3 つの部分に分けられます。[ 14 ] [ 15 ]負極材料も同じ 3 つの部分から構成されていますが、リチウム金属酸化物が炭素に置き換えられています。 [ 14 ] [ 15 ]リチウムイオンポリマーセルとリチウムイオンセルの主な違いは、電解質の物理的相です。LiPo セルでは乾燥した固体のゲル状の電解質が使用され、Li イオンセルでは液体電解質が使用されます。

電解質の種類

ゲルポリマー電解質を使用したリチウムポリマー電池の概略図[ 16 ]

ポリマー電解質は、乾燥固体ポリマー電解質（SPE）とゲルポリマー電解質（GPE）の2つの大きなカテゴリに分けられます。[ 3 ]

固体ポリマー電解質は、当初はリチウム塩で膨潤したポリマーマトリックスとして定義され、現在では乾燥固体ポリマー電解質と呼ばれています。[ 3 ]リチウム塩はポリマーマトリックスに溶解してイオン伝導性を提供します。その物理的相のため、イオン移動が悪く、室温での伝導性が悪いです。室温でのイオン伝導性を改善するために、ゲル化電解質が添加され、GPEが形成されます。GPEは、ポリマーマトリックスに有機液体電解質を組み込むことによって形成されます。液体電解質は少量のポリマーネットワークに閉じ込められているため、GPEは液体電解質と固体電解質の中間の特性を持ちます。[ 17 ]伝導メカニズムは液体電解質とポリマーゲルで似ていますが、GPEは熱安定性が高く揮発性が低いため、安全性にもさらに貢献します。[ 18 ]

電圧と充電状態

LiPoセル1個の電圧は、その化学組成によって異なり、約4.2V（完全充電）から約2.7～3.0V（完全放電）まで変化します。リチウム金属酸化物（LiCoO 2など）ベースのセルの公称電圧は3.6Vまたは3.7V（最高値と最低値の中間値）です。一方、リン酸鉄リチウム（LiFePO 4 ）ベースのセルの公称電圧は、3.6～3.8V（充電）から1.8～2.0V（放電）です。

正確な電圧定格は製品データシートに指定する必要がありますが、使用中にセルが過充電または過放電しないように電子回路によって保護される必要があることを理解しておく必要があります。

LiPoバッテリーパックは、セルが直列および並列に接続されており、各セルに個別のピン配置があります。専用の充電器は、セルごとの充電量を監視して、すべてのセルを同じ充電状態（SOC）にすることができます。

用途

水中車両用六角形リチウムポリマーバッテリー
RCモデル用3セルLiPoバッテリー

LiPoセルはメーカーにとって魅力的な利点を提供します。ほぼあらゆる形状のバッテリーを容易に製造できます。例えば、モバイル機器やノートパソコンのスペースと重量の要件を満たすことができます。また、自己放電率は月あたり約5%と低くなっています。[ 19 ]

LiPoバッテリーは、商用および趣味用のドローン（無人航空機）、ラジコン飛行機、ラジコンカー、大型鉄道模型などの電源として、現在ではほぼ普遍的に使用されています。これらのバッテリーは、軽量で容量と電力供給能力に優れているため、価格に見合っています。テストレポートでは、バッテリーを説明書通りに使用しないと発火する危険性があると警告されています。[ 20 ] R/Cモデルで使用されるLiPoバッテリーを長期保管する場合、セルあたり3.6～3.9Vの範囲で電圧を調整する必要があります。そうでないと、バッテリーが損傷する可能性があります。[ 21 ]

LiPo パックはエアソフトガンでも広く使用されており、従来のNiMHバッテリーよりも高い放電電流と優れたエネルギー密度により、パフォーマンスが大幅に向上します (発射速度が速くなります)。

LiPoバッテリーは、モバイルデバイス、パワーバンク、超薄型ノートパソコン、ポータブルメディアプレーヤー、ビデオゲーム機用ワイヤレスコントローラー、ワイヤレスPC周辺機器、電子タバコなど、小型フォームファクターが求められる様々な用途に広く採用されています。高いエネルギー密度は、コスト面の懸念を上回ります。

車両の内燃機関を始動させるために使用されるバッテリーは通常12Vまたは24Vです。そのため、ポータブルジャンプスターターやバッテリーブースターは、他のジャンプスタート方法の代わりに、3個または6個のLiPoバッテリーを直列（3S1P/6S1P）に接続して緊急時に車両を始動させます。鉛蓄電池式ジャンプスターターは価格が安いですが、同等のリチウムバッテリーに比べて大きく重いです。そのため、このような製品は主にLiPoバッテリー、あるいは場合によってはリン酸鉄リチウムバッテリーに切り替えられています。

現代自動車は、一部の電気自動車やハイブリッド車にリチウムポリマー電池を採用している[ 22 ]。また、起亜自動車は、電気自動車の起亜ソウルにリチウムポリマー電池を採用している[ 23 ]。いくつかの都市でカーシェアリングに使用されているボロレ・ブルーカーも、このタイプの電池を採用している。

LiPoバッテリーは、無停電電源装置（UPS）システムにおいてますます普及しつつあります。従来のVRLAバッテリーに比べて多くの利点があり、安定性と安全性の向上により、この技術への信頼が高まっています。サイズと重量に対する電力比は、スペースが限られているデータセンターなど、重要な電源バックアップを必要とする多くの業界において大きな利点と考えられています。[ 24 ]サイクル寿命の長さ、使用可能なエネルギー（放電深度）、そして熱暴走も、VRLAバッテリーよりもLiPoバッテリーを使用する利点として挙げられています。

安全性と堅牢性

短絡故障により膨張したApple iPhone 3GSのリチウムイオンバッテリー
ロッキード・マーティンがNASA向けに製造した実験用リチウムイオンポリマー電池

すべてのリチウムイオンセルは、高充電状態（SOC）または過充電時に、電解質のわずかな蒸発により膨張します。これにより層間剥離が発生し、セル内層との接触が悪化し、信頼性とサイクル寿命全体が低下します。[ 25 ]これはLiPosで特に顕著で、膨張を抑えるハードケースがないため、目に見えるほど膨張することがあります。リチウムポリマー電池の安全特性は、リン酸鉄リチウム電池とは異なります。

剛性のある金属ケースを持つ円筒形および角柱形のリチウムイオン電池とは異なり、LiPo電池は柔軟な箔型（ポリマーラミネート）ケースを備えているため、比較的拘束性が低い。セルを構成する層に適度な圧力をかけることで、構成部品間の接触が最大化され、セルインピーダンスの上昇や劣化につながる剥離や変形が防止されるため、容量維持率が向上する。 [ 25 ] [ 26 ]

将来の展開

固体高分子電解質（SPE）は、高分子媒体中の無溶媒塩溶液です。例えば、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（LiFSI）と高分子量ポリエチレンオキシド（PEO）の化合物、[ 27 ] 、高分子量ポリトリメチレンカーボネート（PTMC）[ 28 ] 、ポリプロピレンオキシド（PPO）、ポリ[ビス（メトキシエトキシエトキシ）ホスファゼン]（MEEP）などがあります。PEOは、主にその柔軟なエチレンオキシドセグメントと、Li +カチオンを容易に溶媒和する強力なドナー性を構成する他の酸素原子のために、リチウム塩の固体溶媒として最も有望な性能を示します。PEOは非常に手頃な価格で市販されています。[ 3 ]これらの提案された電解質の性能は通常、金属リチウム電極に対する半電池構成で測定され、システムは「リチウム金属」セルになりますただし、リン酸鉄リチウム(LiFePO 4 )などの一般的なリチウムイオン正極材料でもテストされています。

固体ポリマー電解質を使用したセルはまだ完全には商品化されておらず[ 29 ]、依然として研究対象となっています。[ 30 ]このタイプのプロトタイプセルは、従来のリチウムイオン電池（液体電解質を使用）と完全にプラスチック製の固体リチウムイオン電池の中間に位置すると考えられます。[ 10 ]最も単純なアプローチは、ポリフッ化ビニリデン（PVdF）やポリアクリロニトリル（PAN）などのポリマーマトリックスを、 EC / DMC / DEC中のLiPF 6などの従来の塩と溶媒でゲル化させることです。

ポリマー電解質セルを設計する他の試みとしては、ポリ（フッ 化ビニリデン-コ-ヘキサフルオロプロピレン）/ポリ（メチルメタクリレート）（PVDF-HFP/PMMA）のような微多孔性ポリマーマトリックス中の可塑剤として、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（[BMIM]BF4 ）などの無機イオン液体を使用することが挙げられる。[ 31 ]

参照

参考文献

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