リチウム電池は、主に負極、正極、セパレーター、電解質、バインダー、導電剤、集電体、包装材で構成されています。材料形態の分類によると、負極、正極、バインダー、導電剤は 粉末材料 リチウム電池において、固体電解質の中には粉末材料が含まれているものがあり、また、改良されたセパレーターにも粉末材料が含まれています。
正極
Commercialized positive electrode materials include Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2), and Lithium Iron Phosphate (LiFePO4).
- リチウムコバルト酸化物（LiCoO2）：室温で黒色の固体。安定性、合成の容易さ、高い電気化学特性、そして長いサイクル寿命で知られる無機化合物です。リチウムイオン電池用正極材料として初めて商業的に成功した材料であり、主に3C電池に使用されています。
- マンガン酸リチウム（LiMn2O4）立方晶スピネル結晶構造を有する黒灰色の粉末です。3つのリチウムイオン輸送チャネルを有し、イオン拡散を高速化します。そのため、高レート充電のリチウムイオン電池に適しています。
- 三元系正極材料（LiNixMnyCozO2）LiCoO2のCoの一部をNiとMnで置換した三元系正極材料です。LiCoO2の安定性、LiNiO2の高い可逆容量、LiMnO2の安全性を継承しています。Co含有量が少ないためコスト削減が可能で、将来性の高い正極材料です。
- リン酸鉄リチウム （リン酸鉄リチウム）オリビン構造のため、CoやNiなどの高価な元素を含みません。原材料が豊富でコスト効率に優れています。適度な動作電圧（3.2V）、高い比容量（170mAh/g）、大きな放電電力、急速充電能力、長いサイクル寿命を特徴としています。
負極
一般的な負極材料には、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、チタン酸リチウム、シリコン系材料などがあります。グラファイトが最も広く使用されており、シリコン系材料は最も高い可能性を秘めています。
- 黒鉛: Mainly composed of graphite, it has high conductivity, energy density, chemical stability, and low manufacturing costs. It is available in natural and artificial forms.
- ハードカーボン高温でも黒鉛化しない炭素です。内部の結晶配列が不規則で、層間間隔が広いため、より多くの電荷を蓄えることができ、エネルギー密度と電池寿命が向上します。
- ソフトカーボンこの材料は2500℃以上で容易に黒鉛化します。高い秩序性を有し、低く安定した充放電電圧を提供します。大容量、高効率、優れたサイクル特性を備えています。その構造は焼結温度に依存します。1000℃以下の温度で作製されたソフトカーボン材料は、多数の欠陥を有し、リチウム吸蔵のための活性サイトを多数提供し、リチウムイオンのスムーズな挿入と脱離を促進します。
- チタン酸リチウム：高いリチウムイオン抽出電圧（1.55V vs Li/Li+）を有する白色粉末です。高い安全性と「ゼロ歪み」特性を備え、リチウムイオンの挿入・抽出時の構造変化を最小限に抑えます。これにより、理論上のサイクル寿命は無制限となります。そのため、エネルギー貯蔵および動力用リチウム電池の負極材料として、大きな研究価値と商業的応用の可能性を秘めています。
- シリコンベースの材料ナノシリコンとシリコン亜酸化物を含みます。これらの材料は、シリコンカーボンまたはシリコン酸化物アノードに使用されます。シリコンベースのアノードは、炭素ベースの材料よりもはるかに高い比容量とエネルギー密度を備えているため、次世代のアノード材料として最も有望視されています。
バインダー
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）やスチレンブタジエンゴム（SBR）などのバインダーが使用されます。PVDFは陽極と陰極の両方に使用できますが、SBRは通常陽極に使用されます。
- ポリフッ化ビニリデン（PVDF）PVDFは優れた化学的安定性と耐腐食性を備え、電解質溶媒の腐食作用に効果的に抵抗します。また、優れた接着性、機械特性、加工性も備えています。PVDFの柔軟性により、膨張・収縮時に活性物質が剥離することがありません。
- スチレンブタジエンゴム（SBR）SBRは水系バインダーとして広く使用されており、特に負極バインダーでは98%の用途を占めています。SBRは強力な接着力、機械的安定性、そして操作性を備えています。粒子同士の結合を促進し、電池のダイナミクスを向上させ、インピーダンスを低減し、サイクル安定性を向上させます。
導電剤
- Conductive agents are used to ensure good charge/discharge performance by collecting microcurrents and directing them to the current collector (aluminum or copper foil). Common conductive agents include carbon black, vapor-grown carbon fibers (VGCF), and carbon nanotubes (CNT).
- カーボンブラック: 微細でゆるい黒色の粉末状の非晶質炭素。有機物の不完全燃焼と高温処理によって生成され、導電性と純度が向上します。リチウム電池において最も一般的に使用される導電剤であり、粒子間の接触を改善し、導電ネットワークを形成します。
- 気相成長炭素繊維（VGCF）これらの繊維は高い曲げ弾性率と低い熱膨張率を特徴としています。VGCFを添加することで柔軟性と機械的安定性が向上し、電気自動車に使用されるような長寿命・高出力バッテリーに適しています。
- カーボンナノチューブ（CNT）CNTのインピーダンスはカーボンブラックの半分しかありません。低インピーダンスは導電性を高め、分極を改善し、サイクル特性を向上させます。カーボンブラックの添加量は正極材料重量の約3%であるのに対し、CNTの添加量はわずか0.8%～1.5%です。添加量が少ないため、活物質のスペースを節約でき、エネルギー密度を高めることができます。しかし、CNTは分散しにくいため、現在、業界では高速せん断、分散剤の添加、超微粒子ビーズによる静電分散などの処理が一般的です。
固体電解質
一部の固体電解質は粉末状でもあります。
- 高純度二硫化ゲルマニウム（GeS2）：高いイオン伝導性、化学的安定性、長寿命を備えた白色粉末。純度は99.99%まで達します。
- リチウムランタンジルコニウム酸化物（LLZO）この材料は優れたイオン伝導性（1.5×10-4S/cm）を有し、固体リチウム電池の製造に用いられます。ゾルゲル法、低温燃焼法、マイクロエマルジョン法などの方法で合成できます。
- リチウムランタンジルコニウムタンタル酸化物（LLZTO）：高いイオン伝導性、化学安定性、熱安定性を有しています。製造プロセスと結晶構造を最適化することで、高性能固体電池のニーズを満たす電気特性をさらに向上させることができます。
その他の固体電解質粉末には、硫酸バリウム、リチウムリン塩化硫黄（高安定硫化物）、リチウムゲルマニウムリン硫化硫黄などがあります。
バッテリーセパレーター
従来のセパレータは高温での安定性が低く、安全性に影響を与えます。安全性を向上させるため、粉体コーティングを施すことでセパレータを改良します。この改良されたセパレータには、粉体材料が含まれています。
- 酸化アルミニウム（Al2O3）：酸化アルミニウムは自然界に豊富に存在し、化学的不活性、熱安定性、機械的特性に優れているため、ポリオレフィンセパレータの総合的な性能向上のためにセラミックセパレータに広く使用されています。また、リチウム電池のダイヤフラム改質用無機粉末としても大量に使用されています。
- ベーマイト（AlOOH）： ベーマイトは、一水和酸化アルミニウムとも呼ばれ、結晶水を含む酸化アルミニウムの一種です。代替不可能な酸化アルミニウムの前駆体です。AlOOHの製造はα-Al2O3よりも容易です。工業的には、ギブサイト水熱法によってベーマイトスラリーが得られ、その後、ろ過、乾燥、粉砕によってAlOOHの超微粉末が得られます。
- 二酸化チタン（TiO2）TiO2は無毒で安定しており、製造工程における制御が容易です。セパレータの熱安定性、電解液の濡れ性を向上させ、界面インピーダンスを低減することで、リチウムイオン輸送特性を向上させます。有機ポリマーセパレータの改質に適した材料です。
- 二酸化ケイ素（SiO2）SiO2は、ポリマー改質に用いられる一般的な無機フィラーです。その大きな表面積と水酸基（Si-OH）は、セパレータの濡れ性を向上させ、リチウムイオン輸送を促進し、電気化学特性を向上させます。また、SiO2はセパレータの機械的強度を高め、デンドライトの成長を抑制し、熱短絡を低減します。Al2O3、TiO2、AlOOHとは異なり、SiO2は制御と改質が容易です。
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