10.エネルギー変換化学特論
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10. 有機材料~リチウム電池の電解液~

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫


イオンの移動

  1  イオンの移動
形態
対流
泳動 電位勾配/ クーロン力/導電率 位置エネルギーを最小に
拡散 濃度勾配/拡散係数 エントロピーを最大に 拡散方程式 拡散過電圧
03.エネルギー化学 10.エネルギー化学特論

拡散と対流は、イオン移動だけでなく物質移動でも起こります。拡散はイオン移動だけでなく 熱移動でも起こります。


電位プロファイルと導電率

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電位プロファイルと導電率
©K.Tachibana

リチウム電池の電解液はフルーツの香り

高校で習った通り、極性物質は極性溶媒によく溶けて、非極性物質は非極性溶媒によく溶けます。 電池の電解液は電子を通さず、電気を流す都合、イオンが溶けていることが求められます。 よって極性物質の代表格である塩が溶けていなくてはなりません。 したがって、溶媒は極性溶媒ということになります。 しかしながら、リチウムは水と反応しますから、有機溶媒でなくてはなりません。 しかも、水というよりプロトンと反応しますから、非プロトン性溶媒でなくてはなりません。 極性をもって非プロトン性となると、やはりエステルですよね。 高校で習った通り、エステルはフルーツの香りがします。 だからリチウム電池の電解液はフルーツの香りがするのです。


非プロトン性溶媒


極性と溶解度

電解液の導電率が大きいほど、 電池の内部抵抗 は下がる。 導電率は電離した電解質の濃度と電解液の粘度に支配される。 イオン半径の大きなアニオンは電離しやすい。 誘電率の大きな溶媒は電解質をよく溶かす。 濃度が大きく、誘電率の大きな電解液は粘度も増すので、電解液はそれらのトレードオフとなる。

リチウムイオン二次電池には、非水溶媒からなる有機電解液が使われている。非水溶媒は、水より誘電率が低い。よって非水溶媒は、水より塩を溶解しにくい。ゆえに、有機電解液は、水溶液電解液と較べて導電率が小さい。


粘性と極性-混合溶媒-


添加剤

野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― ,講談社サイエンティフィク

電解液。 電解液の中の電気の担い手はイオンと呼ばれる荷電粒子だ。 イオンの重さは一番軽い水素イオンでも電子の重さの1800倍。 この重さの違いはゾウとモルモットの体重差に匹敵する。 だから、電池から電流を取り出せているとき、電気の重たさは気にせずともよい。 電気の動く向きを変えようとしたときに、電気の重たさからくるリアクタンスをインダクタンスと言い、 電気のたまりからくるリアクタンスをキャパシタンスと言う。 電池から電流を取り出せているときは、電気の重たさは気にせずともよいのだから、リアクタンスはキャパシタンスだけで表現すればよい。 すなわちX=1/wC。


電解液とSEI

https://engineer-education.com/lithium-ion-battery06_electrolyte-lipf6-ec/

次回

高分子材料 ~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~ http://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/Education/Energy.html
エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. エネルギーの種類と物質

    「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか??

  3. 電解工業と電気化学

    銅の電解精錬に使う電力は何のためか?それを節電するにはどうしたらいいか?注意すべき点は何か??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
    • 亜鉛めっきと銅めっき
    • ダニエル電池の充電
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
    • 過電圧の種類
    • 反応抵抗とターフェルの式
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
    • 正極の反応
    • アルミニウムのアノード酸化
    • 界面とバルク
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 高分子材料~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~
    • バインダー
    • 導電性高分子
    • セパレータ
    • ラミネートパッケージ
  13. 化学工学とリチウム電池~分散・スラリーの作成と塗布乾燥~
    • 分散
    • レオロジー
    • 塗布乾燥
    • リチウムイオン二次電池の内部抵抗と電気二重層容量
  14. サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
    • ポテンショスタットとガルバノスタット
    • 電池とキャパシタ
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~


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