リチウムイオン電池の基本知識 / 最新動向の解説

2024年5月8日2024年9月1日

本記事では、リチウムイオン電池に関する基本的な用語と最新動向について説明していきます。
リチウムイオン電池の仕組みや各部品の役割を理解することは、電池技術の理解に不可欠です。さらに、最新の技術動向や環境への影響、未来の展望についても説明します。

リチウムイオン電池に関する、主要な略称については下記記事でまとめています。良かったらご覧ください。

リチウムイオン電池とは？

リチウムイオン電池は、リチウムイオンの移動を利用して充放電が繰り返し可能な二次電池（再充電可能な電池）です。高い電圧を出力することができるため、ニッケル水素電池など他の二次電池に比べて、高容量となることとが特徴です。この特性により、スマートフォンや電気自動車、ノートパソコンなど、多くのデバイスで使用されています。

リチウムイオン電池の利点と欠点

メリット:
- 高いエネルギー密度：小型で軽量ながら、多くのエネルギーを蓄えることができます。
- 長いサイクル寿命：他の電池に比べて長期間の使用が可能です。
- 低い自己放電率：使わないときでもエネルギーの損失が少ないため、長期間の保管に向いています。
デメリット:
- 安全性：過充電や過放電に対して敏感で、過度のストレスが加わると発火や爆発のリスクがある。
- 価格：製造コストが比較的高く、原材料（特にリチウム）が限られているため、コストと供給の安定性が課題。

リチウムイオン電池の基本的な用語のまとめ

正極（カソード）

正極は、市販の乾電池で言う「プラス極」に相当します。リチウム金属酸化物が一般的に使用され、リチウムイオンが正極から脱離することで、充電状態になります。電気自動車のバッテリーでは、正極に使用される材料（例：リチウムニッケルコバルトアルミ酸化物（NCA）やリチウム鉄リン酸塩（LFP）など）が電池のエネルギー密度と寿命に大きく影響します。

負極（アノード）

負極は「マイナス極」に相当し、一般的にはグラファイト（黒鉛）が使用されます。リチウムイオンが負極に挿入されることで、充電状態になります。最近では、シリコン負極材料が研究されており、理論的にはグラファイトよりも10倍以上のエネルギー密度を持つことが期待されています。

電解液

電解液は、リチウムイオンが正極と負極の間を移動するために必要な材料です。通常、カーボネート系の溶媒にリチウム塩が溶解しています。例えば、電気自動車では、電解液の安定性がバッテリーの安全性に直接影響します。添加剤が含まれることが多く、液体やゲル状の場合があります。

セパレーター

セパレーターは、正極と負極を物理的に分離しつつ、電解液を通過させる多孔質膜です。これにより、短絡（ショート）を防ぎ、電池の安全性を高めています。一般的な材料にはポリエチレンやポリプロピレンが使われ、表面にセラミック層を持つ場合もあります。電動工具など、高負荷がかかるデバイスでは特に重要です。

活物質

正極および負極において、充放電を行う際に反応する材料を活物質と呼びます。正極には酸化物系、負極にはグラファイトやシリコンが一般的です。シリコン負極は、次世代の高エネルギー密度電池に用いられる可能性があり、研究が進められています。

バインダー

バインダーは、正極および負極の材料を電極に固定するために使用される接着剤です。正極にはフッ素系のPVDF、負極にはSBRが多く使用されます。高温環境下での安定性が要求される用途で重要な役割を果たします。

導電助剤

導電助剤は、電極内の電気伝導性を向上させるための材料で、カーボンブラックやカーボンナノチューブが使用されます。これにより、電池の効率と出力性能が向上します。

サイクル寿命

サイクル寿命とは、充放電を繰り返した際の電池の寿命を指します。通常、使用温度、充放電の深度、充放電レート（電流量）によって影響を受けます。例えば、電気自動車のバッテリーのサイクル寿命は、車両の寿命に直結する重要な要素です。

エネルギー密度

エネルギー密度は、電池が持つエネルギー量を重量または体積で表したもので、単位はWh/kgまたはWh/Lです。高エネルギー密度の電池は、小型で大きなエネルギーを蓄えることが可能で、モバイルデバイスにとって重要な要素です。

充放電レート（Cレート）

充放電時の電流量を示す指標で、1Cは1時間で完全放電できる電流値を指します。電動工具など、急速充放電が求められるデバイスでは、この指標が重要です。

充電方法（CC充電とCCCV充電）

CC充電（Constant Current）：一定の電流で充電する方法です。充電の終点は通常、設定した電圧で決まります。
CCCV充電（Constant Current & Constant Voltage）：一定電流で充電を開始し、設定電圧に達したら、その電圧を維持しながら電流を減らして充電する方法です。電動自転車や電気自動車の充電プロトコルに採用されています。

その他の重要用語

平均電圧：電池の容量が50%のときの電圧など、通常は3.6～3.7Vで、電池の健全性を示す指標の一つです。
カットオフ電圧：充電時の上限電圧および放電時の下限電圧。電池の長寿命化にはこの管理が重要です。
内部抵抗：電池内部に存在する抵抗。この値が小さいほど、急速充放電に有利です。
自己放電：使用しない状態でも自然に容量が減少する現象です。リチウムイオン電池は自己放電が少ないのが特徴です。
充放電効率：充電された容量に対してどれだけ放電可能かを示す指標で、効率が高いほどエネルギーロスが少なくなります。
定格容量：電池が持つ最大容量で、通常はアンペア時（Ah）またはミリアンペア時（mAh）で表されます。
熱暴走：電池内部で発生する熱の連鎖的な反応のこと。過充電や内部短絡などにより発生し、発煙や発火に至ることがあります。

安全性と過去の事故例

リチウムイオン電池は、その利便性と高性能さから多くのデバイスで使用されていますが、安全性の課題もあります。過去には、スマートフォンやノートパソコンの電池が膨れたり、発火する事故が報告されています。これらの事故の多くは、電池の製造上の欠陥や設計上の問題、過充電などによって引き起こされています。

安全性向上のための技術:

近年のトレンドとして、高耐熱性のセパレーターや、過充電防止機能を持つ電池管理システム（BMS）の開発が進められています。
一部のメーカーは、発火リスクを低減するために電解液の改良や固体電解質の使用を検討しています。

環境への影響とリサイクルの課題

リチウムイオン電池の需要が増加する一方で、廃棄時の環境への影響が懸念されています。リチウム、コバルト、ニッケルなどの材料はリサイクル可能ですが、リサイクル技術の向上とリサイクルシステムの確立が求められています。

リサイクルの課題:

現在、リチウムイオン電池のリサイクル率はまだ低く、効率的なリサイクル技術の開発が急務です。
新しいリサイクル技術として、物理的・化学的な各種手法が検討されており、ベンチャー企業などが実用化を進めています。

リサイクルのプロセスについては下記記事にて詳しく記載しています。

未来の展望：次世代電池技術と市場動向

リチウムイオン電池の市場は今後も拡大が予想されていますが、同時に新しい電池技術の研究も進んでいます。中でも、固体電池、リチウム硫黄電池、ナトリウムイオン電池などが有望視されています。これらの技術は、リチウムイオン電池の限界を克服し、より高エネルギー密度の実現や、高安全化の可能性を秘めています。