現代においてモバイルバッテリー、もっと言うのであればリチウムイオン電池は人間生活でのライフラインとなっています。すべての車が内燃機関ではなく誘導電動機で動く世界を想像してみてください。誘導電動機は、安く頑丈であると共に、ほとんどすべてのエンジニアリング面において内燃エンジンよりもはるかに優れています。内燃エンジンにおける一つの大きな欠点は、エンジンRPMの狭い帯域で使用可能なトルクを生成するのみという面です。このような要素を考慮すると、誘導電動機は確実に自動車にとって最高の選択肢であると言えます。しかし、誘導電動機への動力供給という側面が自動車業界で誘導電動機革命を起こす上での障壁となっています。今回の動画では、リチウムイオン電池を用いて、テスラがどのようにこの障壁を乗り越え、なぜリチウムイオン電池が将来より良いものになるのかを解説していきます。
【書き起こし】リチウムイオン電池の仕組みとは？
(00:00) 現代におい体モバイルバッテリーもというのであれば リチウムイオン電池は人間生活でのライフラインとなっています すべての車が内燃機関ではなく 誘導電動機で動く世界を想像してみてください 誘導電動機はやすく頑丈では とともにほとんどすべてのエンジニアリング面において来年エンジンよりもはるかに 優れています 内燃エンジンにおける一つの大きな欠点はエンジン rpm の狭い帯域で塩可能な トルクを生成するのみという面ですこのような要素を考慮すると 誘導電動機は確実に児童書にとって最高の選択肢であると言えます しかし誘導電動機への道力供給という側面が自動車業界で誘導電動機革命を起こす上で の障壁となっています 今回の動画ではリチウムイオン電池を用いてテスラがどのようにこの障壁を乗り越え なぜリチウムイオン電池が将来より良いものになるのかを解説していきます
(01:12) それではテスラの電池をバッテリーパックから出して分解してみましょう 中には化合物の異なる層があります テスラのリチウムイオン電池は電気化学ポテンシャルと呼ばれる金属に関連した 面白いコンセプトにもとづいています 電気化学ポテンシャルは金属が電子を創出する特性です 実際アレッサンドロボルタによって200年以上前に開発された最初のセルは電気化学 ポテンシャルの概念に基づいていました 基本的な電解序列はこちらです この値を見てみるとリチウムが原資を創出する傾向が最も高いことがわかり 逆にフッ素が最も低いことがわかるでしょう ボルタは2つの金属を亜鉛と銀の異なる電気化学ポテンシャルで取り出し 外部の電流を作り出しましたリチウムイオン電池は1991年に初めてソニーが消費者 向けに制作しこれもまた同様の電気化学ポテンシャル
(02:24) 概念に基づいていました 最も高い電気創出の傾向があるリチウムはリチウムイオンセル内に使われ リチウムは外角に電子を一つだけ持ち常にこの電子を創出しようとしています このため純リチウムは非常に反応性の高い金属であり水や空気とさえ反応します リチウムイオン電池の仕掛けは純リチウムが反応性の高い金属でありながら 金属酸化物の一部である場合は非常に安定しているという事実に基づいています ありえませんがこの金属酸化物からリチウム原子を分離したとしましょう その時このリチウム原資は非常に不安定であるため即座にリチウムイオンと電子を形成 しますしかし 金属酸化物の一部としてのリチウムはこのような状態よりはるかに安定しています 原種とリチウムイオンと金属酸化物館の流れに2つの異なる経路があったとする場合 リチウム原種は自動的に金属酸化物部分に到達しますこのプロセスの中で片方の経路を
(03:38) 通る電子の流れから電気を作り出すことに成功したのです これを踏まえて考えてみるとまず リチウム金属酸化物からリチウム原子を分離して次にリチウム原子から 創出した電子を外部回路を経由させて導けば リチウム金属酸化物から元気をつくることができるというのは明らかなのです 次はリチウムイオン電池がこの2つの目的を どのように達成するかを見ていきましょう 実用的なリチウムイオンせるもまた電解質とグラファイトを使用しています グラファイトは層状の構造になっており総は緩く結合されているため 分離されたリチウムイオンをそこへ簡単に貯蔵することができます グラファイトと金属酸化物との間の電解質はリチウムイオンのみの通貨を許す 用心棒のような形として機能します それではまずこの配置に電源を接続するとどうなるかを見ていきましょう
(04:49) 電源のプラス側が金属酸化物のリチウム原子から電子を引きつけて除去するであろうと いうことは想像できますね このような電子は電解質を経由して グラファイトそうに達することができないため外部回路を通って流れます その間にプラス側に帯電したリチウム様はマイナス端子に向かって引き寄せられ 電解質を通って流れるリチウムイオもぐら ファイトそうの空間に到達しそこで閉じ込められます すべてのリチウム原子がグラファイト部分に到達するとセルが完全に充電されるという わけです このようにしてリチウムイオンと電子を金属酸化物から分離させるという第一の目的を 達成したのです しかし先ほど解説したようにこれはまだ高い山の崖に腰掛けているような不安定な状態 です 電源が取り除かれ負荷が接続されるとすぐにリチウム硫黄は金属酸化物の一部として
(05:58) 安定した状態に戻ろうとします この特性によりリチウム様は滑り落ちるように負荷を経由して電解質と電子を通過して 電流を得るのです 一つ注意して欲しいのがグラファイトはリチウムイオン電池の化学反応には関与してい ないということです グラファイトは単なるリチウム硫黄の貯蔵媒体に過ぎず何らかの異常状態で せる内部の温度が上昇すると電解液が渇き 陽極と陰極が短絡し火災や爆発の原因となる可能性があります このような状況を回避するためにセパレータと呼ばれる絶縁層が 電極間に配置されており備考構造のセパレータは微小なリチウムイオンを透過させます 実際のセルではグラファイトと金属酸化物は銅箔とアルミ箔の上にコーティングされて
(07:05) います ハクが集電体として機能しプラスおよび マイナスのタブは集電体から簡単に取り出すことができます リチウムの勇気園は電解質として作用し セパレータシート上にコーティングされます この3枚のシートすべてが中央のスチールコアの周りのシリンダーに巻かれているため せるをよりコンパクトにすることができるのです 標準的なテスラのセルはさんから4.2ボルトの電圧を持ちその多くが直列 および並列に接続されてモジュールを形成します 同様のモジュールが16個直列に接続されてテスラ自動車の車内でバッテリーパックを 形成しているということで すリチウムイオン電池は動作中に多くの熱を発し 高温になると電池の性能は低下します バッテリー管理システムでは膨大な数のセルの温度充電状態 電圧保護及びせる状態の監視を管理するために運用されています
(08:15) テスラのバッテリーパックではグリコールベースの冷却技術が使用されており bms がグリコールの流動率を調整して最適なバッテリーの温度を維持します bms は電圧保護の管理もしています例えば 充電中では3つのセルの中で 一番大容量のセルが他のせるよりも多く充電されますがこの問題を解決するために bms はせるバランシングというバランス調整を行い全てのセルが均等に充電および 放電して過電圧および 不足電圧から保護します ます ここが気すらと日産のバッテリー技術の明暗を分けたと言っても過言ではありません 日産リーフはせるのサイズが大きく 能動的な冷却方法がないという理由から バッテリー冷却に関する大きな問題を抱えています 小型の複数セル設計には電力需要が高い状況で放電負担が隠せる館で均等に分割される というもう一つの利点があります
(09:25) 複数の小型せるの代わりに巨大な単一のセルを使用したとしたら 単一のものが多くの負担状況下に置かれることとなり 寿命はより短いものとなるでしょう 製造技術がすでに確立されている多くの小型 円筒型セルを使用することでテスラは日産の技術を上回ることができたのです 次にリチウムイオンせるを急な故障から守る li-ion せるの初回充電時にリチウムイオンセル内で発生する魔法の現象と呼ば れるものを見ていきましょう グラファイト層の中にある電子は大きな問題であり電子が 電解質と接触すると電解質は劣化してしまいますしかし sei という偶然の発見により原子が 電解質と接触することがなくなったのです ユーザーが初めて電池を中 充電するとき先ほど解説したように リチウムイオンは電解質を経由して移動します
(10:31) ここでは電解質中の溶媒分子がリチウム硫黄おおおい グラサイトに到達するとリチウム様は溶媒分子とともに グラファイトと反応し ここで sei 層と呼ばれる層を形成するのです sei は原子と展開室との間の直接的な接触を防止するつまり 電解質の劣化を食い止めることができるというわけです sei 層の形成の全体的な家庭はリチウムの5%を消費し残りの95%は電池 昨日に貢献しています sei そうの発見は偶然のものでしたが20年以上にわたる 研究者の研究開発によって最大のせる性能を実現するための sei 層の厚さと化学 的性質を最適化しました 20年前に私たちが使っていた電化製品にはリチウムイオン電池が使われていなかった と考えてみるとなんだか不思議ですよね
(11:39) 驚くべき成長スピードでリチウムイオン電池市場は数年以内に年間900億ドル規模の 市場になると予想されています 現在のリチウムイオン電池が誇る充放電サイクル数は約3000となっており世界の 天才頭脳たちが3000サイクルを1万サイクルまで引き上げようと日々最善を尽くし ています1万サイクルというのは向こう25年間 自動車のバッテリーおこう 関する必要がなくなるということを意味しています 記憶媒体のグラファイトをシリコンに置き換える研究にはすでに何百万ドルもの投資が されておりこの研究が成功した暁にはリチウムイオン電池のエネルギー密度が現在の5 倍以上増加します今回の動画で 皆様がリチウムイオンせるの概念と今後の3 以来を少しでも理解していただけたら幸いです ぜひパトレオン. com でのサポートもお願いいたしますありがとうございました
