リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の違い

リチウムイオンポリマー(LiPo)電池(Li-poly、lithium-poly、PLiONなどとも呼ばれる)は、従来のリチウムイオン電池で使用されている液体電解質に高分子電解質を有する充電式リチウムイオン電池である。 利用できるいろいろなLiPoの化学薬品があります。 すべては電解物として高い伝導性のゲルポリマーを使用します。 LiPosは、モバイルデバイス、ドローン、および一部の電気自動車など、重量が重要な要素であるシステムでよく使用される他のリチウム電池よりも高い比 このFAQは、Li-ionとLiPo電池の高レベルの比較から始まり、LiPo電池での使用に最も適した6つの基本的なリチウム電池の化学的性質を詳細に見ていきます。 それは未来およびアルミニウム空気ポリマー電池および固体電池の可能な開発に一見と閉まる。

すべてのリチウム電池には、陽極と陰極を分離する障壁があり、電極間のイオンの移動も可能です。 LiPoでは、ポリマー分離器はまた電解物を含んでいます。 さらに、ポリマー分離器は充満か排出の間に余りに熱くなれば電池を締めることができる”操業停止の分離器”として機能する付加的な機能を提供でき 操業停止の分離器は温度が余りに高く上がるとき流れの流れを停止できる少なくとも1つのポリエチレンの層および分離器のための機械サポートの一形態として機能する少なくとも1つのポリプロピレンの層が付いている多層構造です。

正極と負極からのリチウムイオンのインターカレーションとデカレーション。 ポリマー分離器を除いて、LiPosは李イオンと同じ主義を作動させます。 しかし、それらは全く異なる方法でパッケージ化されています。

リチウムイオンは通常、ステンレス製またはアルミニウム製のケースで供給されます。 ケースはほとんどの場合円筒形ですが、ボタン型または長方形（角柱型）にすることができます。 このケースは、製造に比較的コストがかかり、利用可能なサイズおよび形状を制限する傾向がある。 しかしそれはまた強く、損傷から電池を保護するのを助けます。 場合はレーザ溶接プロセスを使用して密封される。

リチウムイオン電池の構造は、多数の部品で比較的複雑です。 （画像：TechSciリサーチ)

LiPosはアルミホイル”袋”で包まれ、柔らかいまたは袋の細胞と呼ばれます。 袋は大抵プリズムおよび製造し易く李イオンのステンレス鋼かアルミニウム場合より費用で下がります。 このタイプの構造はまたいろいろ注文構成の電池の生産を可能にする。 LiPosの他の部品は比較的安価で大量生産することができるウエファー薄い層（<100µ m）を含んでいます。 金属のためのホイルの袋を代わりにすることは高エネルギー密度および軽量電池で起因できます。 1つ以下のmmの大判カメラそして高さを両方達成することができるが細胞は注意深い機械処理を要求する。

リチウムポリマー電池の袋の構造。 （画像：Jauch)

LiPosの使用は、過充電、過放電、過熱動作、および内部短絡を含む、Li-ionのユーザーが競合しなければならないのと同じ課題の多くにさらされています。 さらに、LiPoの袋の押しつぶすか、または釘の浸透は袋の破裂から電解物の漏出および火まで及ぶ破局的な失敗で起因できます。

Liイオンと同様に、LiPosは電解質の気化により高レベルの過充電で膨張する可能性があります。 電解質の気化は、層間剥離を引き起こし、セルの内部層の間に悪い接触を引き起こし、信頼性およびサイクル寿命を低下させる可能性がある。 この拡張は文字通り膨脹できるLiPosのために特に顕著である場合もあります。 また、ホストシステムに構造的な損傷を与える可能性があります。

以下の表は、六つの基本的なリチウム電池の化学的性質の電圧と典型的なアプリケーションを比較したものです。 これらの電池の他の特徴は下記のものを含んでい:

• LCO–200wh/kgは、高出力を実現しますが、比較的短い寿命、低電力定格、低熱安定性のトレードオフがあります。
• LFP–120wh/kgは、長いサイクル寿命と高い動作温度での安定性を持っています。
• lmo–140wh/kgの陰極は豊富、安価、無毒で、よい熱安定性を提供するマンガン酸化物の部品に基づいています。
• NCA–250wh/kgは、高い比エネルギーおよび長い周期の生命を提供する。
• NMC–200wh/kg、化学成分の割合を変化させることにより、電力セルまたはエネルギーセルとして最適化された電池の開発が可能になります。 その柔軟性のために、それは最も成功したリチウム電池化学システムの1つです。
• LTO–80wh/kg、比エネルギーは最も低いが、定格容量の10倍まで高速充電、放電することができ、安全である。

リチウム電池の電圧および適用の比較。 （画像: TechSciリサーチ)

NMC、LCO、およびNCA電池には、より高い電力能力を提供するのに役立つコバルトが含まれていることに注意してください。 それらは小さいパッケージの多量の力を提供してもいいが安全問題を引き起こすことができる熱でき事により敏感である場合もある。

次の図には、電気自動車（Ev）への適合性に基づいて、Li電池の基本的な種類を比較するスパイダー図が含まれています。 これらのスパイダー図では、Evに適したバッテリーは、より大きな色の領域を持っています。 考慮される要因は、特定のエネルギー、特定の電力、安全性、性能、寿命、およびコストです。 Wh/kgの比エネルギーはEV範囲に関連しています。 W/kgの比出力はEV加速に関連しています。 特にEvの場合、安全性は重要な考慮事項です。 性能パラメータは、極端な温度条件で使用するバッテリの能力を反映しており、自動車アプリケーションでも重要な考慮事項です。 寿命はサイクル寿命と長寿の組み合わせです。 コストは、熱管理、安全、バッテリー管理、監視のための補助システム、およびEvの延長保証期間の必要性を含む、関連するすべてのコストを回収しようとし

電気自動車の使用のための適合性を測定するさまざまな李イオン化学のための性能の比較。 （画像：MDPI)

リポケミストリー

高分子電解質は、高エネルギー密度と軽量電池を含むいくつかの性能向上をもたらします。 ポリマー層の構造に応じて、電池の安全性を高めることもできます。 従来のリチウムイオン電池と比較して、LiPo電池は、より広い範囲の比エネルギー密度（Wh/kg）および比出力密度（W/kg）で製造することができ、LiPo電池をより広い範囲の潜在的な用途にわたってより柔軟にすることができる。 その結果、LiPoの技術はすべての主要なリチウム電池の化学を渡って使用されます:

• 酸化コバルトリチウム電池（LCO）
• リチウムイオン三元電池（NCA、NMC）
• リチウムイオン酸化マンガン電池（LMO）
• リン酸鉄リチウム電池（LFP)

Li-ion、LiPo（PLiON）、およびその他の充電式電池を比較したRagoneプロット。 （画像：MDPI)

アルミニウム空気および固体ポリマー電池

アルミニウム空気ポリマー電池は活発な開発の下にあります。 これらの高エネルギー密度設計は、リチウム陽極と直接接触して陰極から分離するポリマーセパレータを有する。 他のポリマー電池のように、分離器は電池が短絡することを防ぎ、イオン輸送を支え、電気回路を完了するために液体の電解物を吸収します。

残念ながら、リチウムアノードは電池サイクル中に樹状突起を形成することができます。 これらの樹状突起はポリマー分離器を突き通し、電池を短くすることができます。 酸化グラフェン層を含む改良されたセパレータが開発中である。 酸化グラフェンは陽極を汚染から保護し、リチウム陽極の表面の化学変動を防ぐ。 グラフェン酸化物はポリマー層と一緒に機能し、イオン伝導性を著しく低下させることなく電解質とリチウムアノードとの間の直接接触を停止させる。 この結合された構造は陽極の電解物の腐食を遅らせます。 将来的には、リチウム陽極を安定させるために二つのタイプの層を使用することは、合理的なサイクル寿命を有する非常に高いエネルギー密度の電池

今日のゲル化膜の代わりに真に固体高分子電解質（SPE）を有する細胞も開発中である。 今日のLiPoの細胞は慣習的な李イオンと完全に固体李イオン電池間の”雑種の”システムとして考慮される。 ゲル化された膜は、液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。 それらが接触に乾燥している感じるかもしれない間、50%まで液体の溶媒を含んでもいいです。 今日のシステムは、ポリマー材料、液体溶媒、および塩を組み合わせたハイブリッドポリマー電解質（HPE）システムとも呼ばれています。 ポリマー媒体中で完全に無溶媒系であるｓｐｅが開発中である。

新しい固体構造は、リチウムイオンなどの液体ベースの電池化学に対応していない低コストで高比エネルギー変換型の陰極を使用することもできま その一例は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）を含む業界標準および商業的に成熟した陰極と対になった陽極内の高含有シリコンおよ 新しい陰極はコバルトおよびニッケルを取除くためにリチウム金属と結合することができ、90%によって正極活物質の費用を減らすことができます。

固体電池開発のロードマップは、陰極からコバルトとニッケルを除去します（右端）。 （画像：ソリッドパワー)

固体セルが製造され、業界標準のリチウムイオン装置とプロセスを使用して2ahを提供しています。 20ahの高含有シリコンアノードセルの商業生産は2021年末までに期待され、100ahは2022年に続くと予想されています。

概要

LiPosは、より高いエネルギー密度と軽量の電池を含む、Liイオンと比較していくつかの性能向上を提供します。 さらに、LiPosは形およびサイズの多種多様で作り出すことができます。 しかし、今日のリポスはゲル化した膜を使用しており、完全に固体の高分子電解質（Spe）ではありません。 Speは開発中であり、ある特定の適用のLiPosの性能の利点を拡張できる。 アルミニウム空気ポリマー電池は非常に高エネルギー密度（Evのためのより長い範囲に終って）およびよい周期の生命のための潜在性を提供する。 完全に固体の大判リチウム電池は、後で2021年のための地平線上にあります。

電気自動車における現在のリチウムイオン電池技術と進歩の機会、MDPI
異なる種類のリチウムポリマー電池、Grepow
リチウムポリマー電池技術の紹介、Jauch
リチウムポリマー電池、Wikipedia
リチウムイオン電池の製造、TechSci Research
リチウムイオンバッテリーの種類、電池大学