充電式バッテリーの充電と放電の仕組み
バッテリーは基本的に、陰極と陽極を分離して化学反応を防ぐように設計されています。この設計により、バッテリーをデバイスに設置し、デバイスがオンになると回路が閉じ、保存された電子が流れ始めます。本稿では、リチウムイオンバッテリーの充電と放電について詳しく考察します。
リチウムイオンバッテリーの基本原理
リチウムイオンバッテリーでは、回路が閉じると、陰極（例：LiCoO2）が陽極（例：リチウムグラファイト）から電子を引き寄せ、回路内のワイヤーを通じて陰極に電子を移動させます。この化学反応による電子の流れが電気エネルギーです。詳細に言えば、バッテリーは化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換します。
化学エネルギーの変換
化学エネルギーは、ZnやLiのような高エネルギー金属に保存されます。これらの金属は、遷移金属と異なりd電子結合によって安定化されていないため、高エネルギーを持ちます。リチウムは最も軽い金属で、特定容量（3.86 Ah/g）が高く、電極電位が非常に低い（−3.04 V 対標準水素電極）ため、高電圧・高エネルギーバッテリーに理想的な陽極材料です。
放電と充電の化学反応
放電中、リチウムはリチウムグラファイト陽極でLiからLi+（0から+1の酸化状態）へ酸化され、次の反応を経ます: C6Li → 6C(グラファイト) + Li+ + e−。これらのリチウムイオンは電解質媒体を通じて陰極に移動し、そこでリチウムコバルトオキシドに組み込まれ、コバルトを+4から+3の酸化状態に還元します: CoO2 (s) + Li+ + e− → LiCoO2 (s)。これらの反応は、セルを充電するために逆方向で実行できます。
電気化学セルの原理
電気化学セルでは、イオン伝導性があり電気的に絶縁された物質である電解質によって分離された二つの電極で、自発的な酸化還元反応が起こります。この酸化還元反応は、関与する原子の酸化状態に変化をもたらす化学反応で、ある元素から別の元素へ電子が移動します。その結果、電子を失う（酸化される）供与元素である陽極と、電子を得る（還元される）受容元素である陰極が生じます。
リチウムイオンセルの構成
リチウムイオンセルは、異なる材料の二つの電極で構成されています。陰極はLiCoO2やLiMn2O4から作られた複合材料で、リチウムイオンバッテリーセルの名前を定義します。陽極材料は、低電圧と優れた性能のためにグラファイトやその他の炭素材料から作られています。電解質は液体、ポリマー（ポリマーゲルを電解質として使用）、または固体があります。セパレーターは、リチウムイオンの輸送を可能にし、セルの短絡と熱暴走を防ぐために多孔質です。
