電池の化学 | 電気 – 磁気

電気電池の化学

電気電池の基本原理は、イオン伝導性があり電気絶縁体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ることです。化学エネルギーは、例えばZnやLiのような高エネルギー金属に蓄えることができます。これらはd電子結合によって安定化されていないため、遷移金属とは異なります。多種多様な電池が存在しますが、すべてが酸化還元反応の同じ原理を使用しています。電池は、外部回路を通じて電子が移動するときにのみエネルギー的に有利な酸化還元反応が起こるように設計されています。

簡単に言うと、各電池は陰極と陽極が反応を防ぐために分離されて設計されています。貯蔵された電子は、回路が閉じたときにのみ流れます。これは、電池がデバイスに設置され、デバイスがオンになったときに起こります。電気電池は本質的に直流(DC)電気エネルギーの源です。それは蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気および電子回路で電流が流れるための起電力を提供します。典型的な電池は、一つ以上のボルタ電池で構成されています。

リチウムイオン電池の化学

リチウム金属は最も軽い金属であり、高い特定容量(3.86 Ah/g)と極めて低い電極ポテンシャル(−3.04 V vs. 標準水素電極)を持っています。したがって、リチウムは高電圧および高エネルギー電池にとって理想的な陽極材料です。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、以下の反応を通じて行われます：

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、次の反応を通じてリチウムコバルト酸化物に組み込まれ、コバルトが+4から+3の酸化状態に還元されます：

CoO₂ (s) + Li⁺ + e^– → LiCoO₂ (s)

これらの反応はセルを再充電するために逆に実行することができます。この場合、リチウムイオンはリチウムコバルト酸化物陰極を離れ、陽極に戻り、そこで中性のリチウムに還元されてグラファイトネットワークに再組み込まれます。