エネルギー貯蔵電池の動作原理
アンエネルギー貯蔵電池電気エネルギーと化学エネルギーの間でエネルギーを変換し、貯蔵する装置です。放電中、化学エネルギーは電気エネルギーに直接変換されます。充電中、電気エネルギーは化学エネルギーに変換されて蓄えられます。電池の正極と負極は異なる材料でできています。同じ電解質を挿入すると、図 1-4 の ABCD 破線で示すように、両方の電極が独自の電極電位を確立します (破線と電極の間のスペースは、形成された電気二重層を表します)。正極と負極間の平衡電極電位の差は、バッテリーの起電力 (EMF) E を構成します。
図 14 エネルギー貯蔵電池の動作原理の模式図
正極と負極が外部負荷に接続されると、正極材料が電子を獲得して還元反応を起こし、カソード分極が生じ、正極電位が低下します。負極材料は電子を失って酸化反応を起こし、アノード分極が生じ、負極電位が上昇します。外部回路の場合、電子はマイナス極からプラス極に流れるため、電流の方向はプラス極からマイナス極になります。電解液中ではイオンの移動により電荷の移動が起こるため、内部回路の電流の方向は負極から正極になります。放電状態における電池の電位分布は、図1-の破線A'B'C'D'で示されます。プロセス全体が完全な閉ループを形成し、電極での酸化および還元反応が継続的に継続できるようにすることで、閉ループ内での連続的な電流の流れが確保されます。バッテリーが動作しているとき、電極で電気エネルギーを生成する電気化学反応は流れ発生反応と呼ばれ、これらの反応に関与する物質は活物質と呼ばれます。
バッテリーの充電プロセスは、基本的には放電プロセスの逆です。充電中、正極では酸化が起こり、負極では還元が起こります。同時に、電解液中のイオンの移動方向は放電中の方向と逆になり、図 1-4 の破線 A"B"C"D" で示すように、この化学変換プロセスを駆動するには電池の開路電圧を超える外部電源が必要です-。
化学エネルギーから電気エネルギーへの直接変換を促進するために、エネルギー貯蔵電池内で起こる酸化還元プロセスは従来の酸化還元反応とは根本的に異なります。バッテリーでは、電子の喪失 (酸化) と電子の獲得 (還元) のプロセスを異なる領域に分離する必要があります。さらに、能動成分が反応に関与する場合、電子は外部回路を通って流れる必要があります。これら 2 つの重要な要素は、電池内の酸化還元メカニズムを、通常の化学酸化還元反応や電気化学腐食現象におけるマイクロセル反応と区別します。{3}}
蓄電池の構成
基本的なエネルギー貯蔵バッテリーには、電極、電解質、セパレーター、バッテリー ケースという 4 つの基本コンポーネントが含まれている必要があります。
電極
電池の重要な構成要素である電極は、正極と負極に分かれており、主に活物質と導電性フレームワークで構成されています。このうち活物質は、電池の放電時に化学反応によって電気エネルギーを発生し、電池の性能を決定する主な要素となります。活物質はほとんどが固体ですが、液体または気体として存在することもあります。
活物質は電池の総合性能に決定的な影響を与えるため、一般に次のような性能が求められます。 ① 電池が大きな起電力を発生させるためには、正極材料は高電位、負極材料は低電位を維持する必要がある。 ② 活物質は良好な電気化学反応性を持たなければなりません。つまり、酸化還元プロセスに容易に参加する必要があります。 ③ 有効成分は、重量と体積の比容量が高い必要があります。 ④ 活物質は電解質溶液中で優れた化学的安定性を有する必要があり、自己溶解速度は可能な限り低くなければなりません。- ⑤ 活物質は高い電子伝導性を有する必要があります。 ⑥ 経済性と持続可能な開発の観点から、理想的な活物質は地球上に豊富で安価な資源であるべきです。 ⑦ 活物質は人の健康や自然環境にも無害でなければなりません。
特定の活物質について上記の基準をすべて満たすことは非常に困難です。したがって、活物質の選択には総合的な考慮が必要です。現在、最も広く使用されている正極材料は、二酸化鉛、二酸化マンガン、酸化ニッケルなどの金属酸化物と空気中の酸素です。アノード材料としては、亜鉛、鉛、カドミウム、鉄、リチウム、ナトリウムなどの化学反応性の金属が好ましい。
導電性フレームワークの機能は、活物質を外部回路に接続し、バランスの取れた電流分布を確保することです。活物質もサポートします。理想的な導電性フレームワークは、優れた機械的強度、高い化学的安定性、低い抵抗率、および良好な加工性を備えていなければなりません。
電解質
電解質の主な機能は、正極と負極の間で効果的なイオン伝導を確保し、イオン輸送の役割を担うことです。場合によっては、電気化学反応にも関与する可能性があります。電池に使用される電解液の性能は、次の要件を満たす必要があります。 ① 保存中に電解液と活物質の間の界面での重大な電気化学反応を防止し、電池の自己放電を低減するために良好な化学的安定性を備えている必要があります。 ② 導電性が高いこと。電解液の組成は電池の種類によって異なりますが、通常、導電性に優れた酸、アルカリ、または塩の水溶液が電解液として選択されます。ただし、一部の新しい電力技術では、有機溶媒電解質、溶融塩電解質、固体電解質などの新しい材料が使用される場合があります。
分離
膜または隔壁とも呼ばれるセパレーターは、バッテリーの正極と負極の間に配置されます。その主な機能は、短絡につながる可能性のある電極間の直接接触を防ぐことです。セパレータの基本性能要件は次のとおりです。 ① 内部短絡を防止する優れた電子絶縁体であること。 ② 電解液中でのイオン移動に対する抵抗が低いため、デバイス全体の内部抵抗が減少し、高電流放電条件下でのエネルギー損失が大幅に減少します。 ③ 良好な化学的安定性を有し、電解液の腐食や電極活物質の酸化還元反応に耐えます。 ④ 樹枝状結晶の成長を効果的に阻止し、小さな活性粒子が膜に浸透するのを防ぐのに十分な機械的強度と曲げ耐性を有すること。 ⑤ 経済的要因を考慮すると、容易に入手でき、安価であるべきである。
一般的なセパレータ材料には、綿紙、パルプ紙、微多孔性プラスチック、微多孔性ゴム、水和セルロース、ナイロン布、ガラス繊維などが含まれます。
電池ケース
電池容器としても知られる電池ケースは、既存のエネルギー貯蔵電池の中で亜鉛電極がケースとしても機能する唯一のタイプの電池です。対照的に、他のタイプの電池は、活物質そのものではなく、外部封入に特定の材料を使用する傾向があります。理想的なバッテリー ケースは、優れた機械的特性を備え、振動や衝撃に耐え、極端な温度条件下でも安定性を保ち、電解液による腐食に耐える必要があります。実際には、金属、プラスチック、硬質ゴムなどの材料が、それぞれの利点により電池ケースとして広く使用されています。