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リチウムイオンのインターカレーション機構

1980
  • M. Stanley Whittingham
  • John B. Goodenough
  • Akira Yoshino
電気化学実験室におけるリチウムイオン電池の分解プロセス。

(画像はイメージです)

リチウムイオン 電池は、層状ホスト材料へのイオンの可逆的な挿入であるインターカレーション機構によって機能します。放電中、 リチウム リチウムイオン(Li⁺)は負極(陽極、通常はグラファイト)から脱離し、非水系電解質を通って正極(陰極、通常は金属酸化物)に挿入される。電子は外部回路を移動し、電流を生成する。

The concept of intercalation is central to the success of lithium-ion batteries. Unlike older battery chemistries where the electrodes undergo significant chemical phase changes, intercalation involves lithium ions acting as ‘guests’ that slide into and out of the ‘host’ crystalline structure of the electrode materials. For the anode, the host is typically graphite, which has a layered structure allowing [latex]Li^+[/latex] ions to fit between its graphene sheets, forming [latex]LiC_6[/latex]. For the cathode, the host is a metal oxide, such as lithium cobalt oxide ([latex]LiCoO_2[/latex]), where lithium ions occupy layers between cobalt oxide sheets.

このプロセスは可逆性が高く、ホスト材料の構造を大きく変化させないため、劣化を最小限に抑えつつ長寿命を実現します。リチウムは水と反応性が高いため、イオンの移動は非水系有機電解質によって促進されます。微細多孔質ポリマーセパレーターは、イオンの通過を可能にしながら、陽極と陰極の接触や短絡を防ぎます。

During charging, an external voltage forces the process to reverse: lithium ions are extracted from the cathode, travel back across the electrolyte, and re-insert into the graphite anode. The high electrochemical potential of lithium, combined with its low atomic weight, allows for batteries with very high energy density and specific energy, which is why they have revolutionized portable electronics and are enabling the transition to electric vehicles.

UNESCO Nomenclature: 2203
電気化学

タイプ

化学プロセス

混乱

革命的

使用法

広く普及している

前駆物質

  • リチウム金属の発見とその高い電気化学ポテンシャル
  • 1970年代におけるインターカレーション化合物に関する基礎研究
  • 安定な非水系電解質の開発
  • 初期の、安全性の低いリチウム金属充電式電池の試作品

アプリケーション

  • スマートフォン、ノートパソコン、タブレット
  • 電気自動車(EV)
  • コードレス電動工具と園芸用品
  • グリッド規模のエネルギー貯蔵システム
  • 埋め込み型医療機器および補聴器

特許:

  • US4357215A

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:リチウムイオン、インターカレーション、アノード、カソード、電解質、充電式、エネルギー密度、グラファイト。

歴史的背景

リチウムイオンのインターカレーション機構

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1984
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1974-11-15
1980
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1980
1984
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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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