リチウムメタル電池の概要
リチウムメタル電池は、アノード（負極）に金属リチウムを使用した一次電池（使い捨て電池）です。これらの電池は、リチウム金属電池とも呼ばれ、最低の自己放電率を持つことから、最長10年間の長期保存が可能で、最大70℃の温度でも使用できます。最も一般的なリチウムメタル電池の種類は以下の通りです。
- リチウム-マンガン二酸化物電池
- リチウム-鉄二硫化物電池
- リチウム-チオニル塩化物電池
- リチウム-空気電池
リチウム-マンガン二酸化物電池の反応式
リチウム-マンガン二酸化物電池の全体反応式は以下の通りです。
- リチウム（固体）とマンガン（IV）二酸化物（固体）の反応：
Li(s) + MnIVO2(s) ⇌ MnIIIO2(Li+) [E° = +3.19 V]
リチウムメタル電池の特徴
リチウムメタル電池は、一次（使い捨て）と二次（充電可能なリチウムイオンまたはリチウムポリマー電池）を区別する必要があります。リチウムメタル電池は金属リチウムを含まず、低い電極電位と非常に高い導電率を特徴とします。リチウムは柔らかく展延性があり、薄い箔に押し出すことができます。電池の分類方法は複数ありますが、便宜上、カソード材料と電圧による分類が一般的です。
リチウムメタル電池の種類
リチウムメタル電池の種類には、以下のようなものがあります。
- リチウム-マンガン二酸化物電池：アノードにリチウム箔、カソードに二酸化マンガンを使用し、電解質は電解塩に浸されたセパレータシートです。電池電圧は3ボルトです。
- リチウム-鉄二硫化物電池：アノードにリチウム、カソードに鉄二硫化物を使用し、電解質は有機溶剤に溶解したリチウム塩です。電池電圧は1.5ボルトで、高性能AA電池に使用されます。
- リチウム-チオニル塩化物電池：全てのリチウム型電池中で最高のエネルギー密度を持ち、寿命は15～20年です。
- リチウム-空気電池：高い理論エネルギー密度を持ち、無限の酸素供給を通じて化学反応を行います。
リチウムメタル電池の化学反応
リチウムメタル電池では、陰極と陽極を分離して反応を防ぐ設計がなされています。電池が装置に設置され、装置がオンになると回路が閉じ、電子が流れます。この電子の流れが電気エネルギーです。リチウムメタル電池では、陰極は高密度の二酸化マンガン（MnO2）、陽極は金属リチウムです。電解質は、Li+イオンが溶け込んだ有機溶剤の混合物です。Li+イオンは溶液中を拡散し、外部回路を通って陰極に到達した電子と結合します。これによりMnO2は四価から三価の状態に還元されます。
実世界でのリチウムメタル電池の応用
リチウムメタル電池で生成される電子は、回路が閉じたときにデバイスを動かすために使用されます。これらの電池は、その高いエネルギー密度と長寿命により、多くのデバイスにとって理想的な電源となっています。
