金属リチウム二次電池とは?原理と課題について解説。

「金属リチウム二次電池」とは、負極に金属リチウムを使用した二次電池です。リチウムイオン電池とは異なり、現在、実用化されているものはほぼありませんが、限られた用途でのみ使われています。

 

リチウムと言えば、陶器やガラスなどの窯業が1番の利用用途。その次に電池です。今後、電池の需要が伸びれば、電池が1番の利用用途になりそうです。

 

本稿では、

「金属リチウム二次電池とはどんな電池?」

「金属リチウム二次電池の原理と特徴について教えて」

という疑問にお答え致します。

 

 

金属リチウム二次電池の概要

 

負極に「金属リチウム」を使用した二次電池です。大容量が期待できる電池です。しかし、課題が大きいため、現在も解決がされていない状況です。

 

ボタン形・コイン形の形態で使用されます。

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コイン形電池の断面は以下の図のような構成になっています。

 

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リチウムイオン電池との違いですが、リチウムイオン電池はリチウム元として、正極にコバルト酸リチウムを使っています。金属リチウム二次電池は、正極ではなく負極に金属リチウム電池を使っています。

 

金属リチウム二次電池を特徴をまとめた表

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用途

 

金属リチウム二次電池の用途は、微小電流によるバックアップ電源など限られた用途のみです。

 

リチウムイオン電池とは違い、現在、実用化されて世の中に出回っているものはありません。そのくらい、技術の難易度が高い電池です。

 

構成

 

金属リチウム二次電池の構成は以下のとおりです。

 

  • 正極 二酸化マンガンなど
  • 負極 金属リチウム
  • 電解液 有機電解液
  • セパレータ

 

正極材には、二酸化マンガンだけでなく、チタン酸リチウム、五酸化バナジウム、五酸化ニオブなど使用されます。

 

正極との組み合わせによって電圧も変わります。リチウムは標準電極電位が最も低い元素なので、高い電圧が実現できます。

 

反応

 

金属リチウム二次電池の反応は以下の通りです。正極で二酸化マンガンを用いた場合を例にします。放電反応の仕組みは以下の図とおりです。

 

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正極では酸化マンガンが電子を受け取り、二酸化マンガンリチウムが生成されます。負極ではリチウムが電子を放出して、リチウムイオンになります。

 

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問題点

 

金属リチウム二次電池の最大の課題は、リチウムデンドライト(樹枝状金属析出)発生です。充電する際、リチウムイオンがリチウム金属に戻りますが、その際にリチウムがデンドライト析出します。特に電流密度が集中する部分に発生します。

 

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充放電を繰り返すと、このデンドライトが成長して、セパレータを突き破り、正極に接触します。そうなると、内部短絡(ショート)が起こり、発火の危険や充放電もできなくなります。リチウムデンドライトは細長く脆く剥がれやすいため、容量減少も起こります。

 

ショートリスクがあるのは怖いですなぁ・・・

 

このリチウムデンドライト発生の課題解決がまだ見つかっていないのですが、電池容量を非常に高くできるため、様々な試行錯誤がされています。

 

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