最近、テレビや新聞で「リチウムイオン電池」という言葉をよく見聞きするようになりました。
電気自動車（ＥＶ）への搭載に向けて各国で研究開発が進められていますが、そもそもリチウムイオン電池とはどのようなものか、もしかしたらご存じの方は少ないかもしれません。
この記事では、リチウムイオン電池の仕組みや寿命、長所や短所などを解説します。
リチウムイオン電池に関する疑問解消の助けになれば幸いです。
それでは早速見ていきましょう。
リチウムイオン電池とは？
リチウムイオン電池とは、電池内でリチウムイオン（Li＋）が電気の運び屋となって動き回る電池のこと。
充電ー放電反応中は常にイオン状態で存在することからリチウム”イオン”電池と呼ばれています。
リチウムイオン電池は二次電池。一度完全に放電してエネルギーを取り出し切っても、充電すれば再び電気エネルギーを蓄え使用することができます。
1991年にソニーと旭化成が商品化に成功して以降、リチウムイオン電池は二次電池市場で急速にシェアを拡大しています。
仕組み
リチウムイオン電池は、正極には主にLiCoO₂ (コバルト酸リチウム)、負極にはC (炭素)、電解液にはLiPF₆ (六フッ化リン酸リチウム)などリチウムイオンを含む有機電解液が用いられます。
充電の際は、正極からリチウムイオン(Li⁺)が脱離し、負極のカーボンへと吸蔵されます。
- 正極：LiCoO2→Li(1-x)CoO₂＋xLi+＋xe‐
- 負極：6C＋xLi+＋xe‐→LixC₆
反対に放電反応の際は、吸蔵されたLi⁺が負極から脱離し、正極へと再び吸蔵される仕組みです。
- 正極：Li(1-x)CoO2＋xLi+＋xe‐→LiCoO2
- 負極：LixC₆→6C＋xLi+＋xe–
充放電反応ではLi+が行き来するだけなので、リチウムイオン電池は「ロッキングチェア型電池」とも呼ばれています。
近年、正極材としてマンガン系やリン酸系、負極材としてシリコンなどの新材料が研究されています。
電解液についても高濃度化により充放電性能が向上するなど、エネルギー密度やサイクル特性の更なる改善が見込まれています。
特徴
リチウムイオン電池の特徴は2つあります。
- 出力電圧やエネルギー密度が高い
- メモリー効果がない
それぞれについて、一つずつ解説します。
出力電圧やエネルギー密度が高い
リチウムイオン電池の公称電圧は3V以上。一端子で高い電圧を示します。
動作に高い電圧が必要な機器を少ないスタック数で動かすことができ、装置の中で電池が占める体積を少なく抑えられます。
また、重量当たりのエネルギー量、重量エネルギー密度[Wh/kg]も他の二次電池より優れています。
リチウムイオン電池を他の電池の代替として用いれば、電池を搭載した機器全体の軽量化につながるというわけです。
メモリー効果がない
リチウムイオン電池には、容量が一時的に低下するメモリー効果がありません。
他の二次電池より自由に使用-充電することができ、機器の突然の停止といったトラブルの生じる可能性も低くなっているのです。
加えて、仮に使わず放置していても自然放電量が月数％と、ニッケル水素電池の10分の1程度まで少なく抑えられています。
このような特性から防災対策品にも搭載されているようです。
寿命
リチウムイオン電池の寿命は使用環境により異なりますが、スマートフォン用の電池ならば300〜500回程度といわれています。
充電速度を大きくすればするほど電池の劣化が早くなり、満充電した際に蓄えられる容量が減少するのです。
リチウムイオン電池の寿命を早める要因としては、
- 頻繁に使用すること
- 充電しながら使用すること
- 空の状態で長期間放置すること
こうしたものが挙げられます。
電池の寿命を延ばすためには使用頻度や使用状況を見直すことが必要です。
リチウムイオン電池の活用例
現在、リチウムイオン電池はスマートフォンやノートパソコンなどの携帯機器に用いられています。
最近ではEVを始めとする輸送機器への搭載を目指して研究開発が盛んに行われているほか、人工衛星など宇宙分野にも活躍の場を拡げています。
出力が不安定な再生可能エネルギーの効率的利用のためには蓄電池が必要不可欠です。
リチウムイオン電池がより低コストとなれば、電力網に組み込まれて利用される可能性があります。
リチウムイオン電池の短所
リチウムイオン電池の短所は、安全面に課題がある所です。
電解液に可燃性の有機電解液を使用するため、電池内で両電極がショートした際に発火事故が起きる可能性があります。
加えて、リチウムイオン電池のリサイクル体制がまだ十分に整備されておらず、使用後の電池を処理する際に大きな課題となっています。
リチウムイオン電池がEVへ搭載されると電池製造量が大きく増加していくため、リチウムイオン電池内の材料を再資源化する必要性がますます高まってきている現状です。
最後に
リチウムイオン電池に関する解説はこれで以上となります。
電池に関する様々な疑問を少しでも解消できれば幸いです。
参考文献
リチウムイオン電池の科学―ホスト・ゲスト系電極の物理化学からナノテク材料まで (材料学シリーズ) 工藤 徹一, 本間 格, 日比野 光宏、内田老鶴圃
リチウムイオン電池 – パナソニック (panasonic.com)
電池の基本構成と充放電の原理：知っておきたい 電池の仕組み（2）（4/6 ページ） – EDN Japan (itmedia.co.jp)
リチウムイオン電池・次世代電池における最新の観察と解析 | 電子デバイス業界 | マイクロスコープ拡大解析事例 | キーエンス (keyence.co.jp)
超5 Vリチウムイオン電池の実現－高電圧作動時の劣化を抑制－｜【工学部/工学系研究科】 プレスリリース | UTokyo-Eng (u-tokyo.ac.jp)
充電式電池のメモリー効果とは？（メモリー現象とは？） PZ18111 – ニッケル水素電池＆充電器 – Panasonic
リチウムイオンバッテリーの自己（自然）放電とは？基礎・基本を学ぶ – 株式会社 長谷川製作所 (e-hasegawa.co.jp)
第5回 リチウムイオン電池が持続可能（サステナブル）な社会の実現に貢献する理由とは？鉛蓄電池から置き換えるメリットやリサイクル方法、未来の可能性を解説 | 村田製作所 技術記事 (murata.com)
