彼らはどのように働くのですか？ 電池の化学
リチウムイオン電池はすべての充電式電池と同様に機能します。各セル内の可逆的な化学反応により、カソード（正極）とアノード（負極）の間でイオンが移動します。 電池が充電されているとき、外部電流が印加され、リチウムイオンがカソードからアノードに移動する。 放電中、リチウムイオンは陰極に戻って移動し、エネルギーを放出し、それが装置に電力を供給します。 セルは、イオンが通過する電解質で満たされています。
数字1aとb： プロセス図 リチウムイオン二次電池の充放電機構
（出典：Marshall Brainによる画像提供。もともとは「リチウムイオン電池のしくみ」、11月号14、2006に掲載されています。HowStuffWorks.com、http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery。 htm）
各電池セルは、アノードとカソードとを電気的に絶縁するためのセパレータ、通常は高分子膜を含む。 セパレーターの完全性はバッテリーの安全性にとって重要です。
リチウムは非常に反応性の高い金属です。 これはエネルギー貯蔵にとって貴重な特性ですが、リチウムイオン電池を危険にさらす可能性もあります。 電池の内部温度が高くなりすぎると、反応が不安定になるまでスピードアップします。 電池設計は、内部圧力を解放するために安全通気孔を追加すること、および特定の温度を超えて融合し、過剰なイオン輸送を遮断することなどの、この熱暴走の可能性を最小にする機能を組み入れることができる。
電池が古くなると、充電サイクルごとにセル内の化学物質が消耗し、時間の経過とともに容量が減少します。 電極上に固体電解質界面相（SEI）層が形成され、それ以上のイオン輸送が制限されます。
図2： 2個の電池のボルタモグラム - 1個は新しいもの、もう1個は100回サイクル。
（出典：N. Willard、B。Sood、M。Osterman、M。Pechtの画像提供。最初は「リチウムイオン電池の故障解析を行うための分解方法論」に掲載されている。）J. Mater Sci：Mater Electron 22、1616（ 2011）
電池材料の動向
リチウムイオン電池は、ソニーが1991で技術を商品化して以来、材料と組み立て工程の改善を見てきました。7 1990で発行された米国特許には、現在リチウムイオン電池で一般的になっている箔の形態と電解質材料の進歩が記載されています。8,9
カソード材料 元のカソード材料はコバルト酸リチウム（LiCoO）です。2） 市販のリチウムイオン電池の中には、リン酸鉄リチウム（LiFePO）を含むものがあります。4）またはリチウムマンガン酸化物（LiMn）2O4）カソード。
リチウムマンガンおよびリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）カソード材料を組み合わせることにより、ＥＶのための加速および駆動範囲の最適な組み合わせを有する電池が製造される。 日産リーフ、シボレーボルト、BMW i3などの車両は、NMCバッテリーで走行します。 テスラ車はリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（NCA）バッテリーを使います。
アノード材料 ほとんどのリチウムイオン電池は、グラファイトの形のカーボンアノードを含みます。 リチウム金属アノードはエネルギー密度が高いため魅力的ですが、樹枝状結晶が形成されやすく、ショートが発生し、バッテリー火災の危険性が高まります。 シリコンベースのアノードは、エネルギー密度を高めるためのもう1つの選択肢ですが、SEI層を形成すると信頼性が低下する可能性があります。
図3： リチウムイオン電池用のアノード材料の開発
（出典：N. Willard、B。Sood、M。Osterman、M。Pechtの画像提供。最初は「リチウムイオン電池の故障解析を行うための分解方法論」に掲載されている。）J. Mater Sci：Mater Electron 22、1616（ 2011）
MITのスピンオフSolidEnergy Systemsは、薄いリチウム箔アノードを持つバッテリーを商品化しています。これは、標準的なリチウムイオンバッテリーに比べてエネルギー容量を2倍にすると言われています。 同社は、ショートのリスクを最小限に抑えるように設計された新しい電解質を開発しました。
電解質 電解質は液体または固体（ゲル）であり得、そして通常有機溶媒およびリチウム塩からなるポリマーベースである。 液体電解質はリチウムイオンをより効率的に移動させますが、引火性が高いです。 固体電解質は導電性が低くなりますが、発火する可能性が低いため安全です。 材料の選択は液体電解質の安全性を向上させることができます。 一例は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ）である。6）エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合物に溶解した。 溶媒の混合物はそれ自体で使用されるいずれの溶媒よりも安定である。
さまざまな用途に適した電池形状
各電池セルは金属ケース内に封入されたアノードおよびカソード材料の層状シートを含む。 銅箔は陽極材料（典型的にはグラファイト粉末）で被覆され、そしてアルミニウム箔は陰極材料で被覆される。 これらはポリマーセパレータで挟まれ、垂直に積み重ねられるか、より一般的にはコイルに巻かれる。
電極がアルミニウムケースまたはホイルポーチに封入されたら、ケースを密封する前に電解液で満たす。 ほとんどの電池には、使用中に電解質が分解するにつれて発生するガス状副産物を排出するための放出弁が含まれています。 セル形状は、標準的なアルカリ単３電池と同様に円筒形でもよく、角柱形（正方形または長方形）でもよい。
バッテリパックは、相互接続された複数のセルで構成されています。 セルを直列にリンクするとバッテリの動作電圧が高くなり、複数のセルまたはセルの行を並列に組み合わせるとバッテリが耐えることができる電流が増加します。
一般的なバッテリ障害
リチウムイオン電池は、アノードとカソードの間で短絡が発生すると壊滅的に故障する可能性があります。 セル内部のいくつかの製造上の欠陥は、そのような故障の可能性を高める可能性がある。 これらが含まれます：
- 電極箔のバリ
- 電極材料中の空隙
- 化学汚染
- 電極の矛盾した粒子形態
リチウムイオン電池を調達しているアプリケーションエンジニアは、これらの欠陥を簡単に識別することができません。 認定期間中の加速寿命試験は、電池が安全にそして期待通りに機能することを保証するのに役立ちます。
容量が特定のポイントを超えて減少したときにも、バッテリーは故障したと見なすことができます。 過熱して高電圧で動作すると、バッテリ寿命を短くするメカニズムが加速する可能性があります。 使用中にいくつかの異なる問題が発生する可能性があります。
- 電気活性イオンの損失、電力密度の低下につながる
- 電極上の不動態化層の過度の成長
- 電解液中の溶媒またはリチウム塩の分解
- 不可逆的に放電率を高める電極の膨張
- 密閉された細胞を破裂させる可能性がある圧力の上昇
- 金属箔からの電極の剥離
- 機械的応力による電極の割れ
下の表は、リチウムイオン電池の劣化を引き起こす可能性のあるさまざまなメカニズムを示しています。
図4： 電池セルの劣化を引き起こすメカニズムの進行。
（出典：N. Willard、B。Sood、M。Osterman、M。Pechtの画像提供。もともとは「逆アセンブリ」に掲載されていました。
リチウムイオン電池の導電故障解析の方法論」J. Mater Sci：材料電子22、1616（2011）
