リチウムイオン電池の特徴まとめ

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リチウムイオン電池の特徴まとめ

 

いまではリチウムイオン電池の発火事故なども急増しており、年々リチウムイオン電池への注目が増しつつあります。

 

今後もIOT社会が加速していくに伴い電気エネルギーの重要性が増すでしょう。

 

その際、電気エネルギ-の出し入れができるリチウムイオン二次電池の重要性も高くなります。

 

ここでは、リチウムイオン電池に関する以下のテーマで解説していきます。

 

・リチウムイオン電池の構成(動作原理など)

 

・リチウムイオン電池の反応、反応式

 

・リチウムイオン電池の性能比較、特徴(特長)

 

・リチウムイオン電池の課題(デメリット) 安全性が低いこと

 

・リチウムイオン電池の発火時の対処方法

 

・リチウムイオン電池の大きさや形状、実際の用途(小型電池)

 

・リチウムイオン電池の大きさや形状、実際の用途(大型電池)

 

 

 

 

リチウムイオン電池の構成(動作原理など)

 

リチウムイオン電池は電池の中でも二次電池と呼ばれる充放電を繰り返すことができる電池に分類されています。

 

まず電池は酸化還元反応で得られる化学エネルギーを、電気エネルギーに変換する装置といえます。化学反応が起こる際にリチウムイオンの移動が起こるため、リチウムイオン電池と命名されています。

 

中でも二次電池は繰り返し使用しても劣化が起こりにくい各電池材料を使用しているために、何度も充放電することができます。

 

リチウムイオン電池は正極、負極、セパレータ、電解液、金属缶やアルミラミネートなどのケースなどから構成されます(詳しいリチウムイオン電池の動作原理(構成や反応、特徴)はこちらで解説しています)。

 

一般的なリチウムイオン電池では、正極活物質にはにコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなどの酸化物系の材料が使用されます。

 

負極活物質には、黒鉛、チタン酸リチウムが使用されます。

 

正極と負極の短絡(ショート)を防ぎつつ、リチウムイオンの移動が可能な材料であるセパレータを、正極と負極の間に入れます。通常セパレータはポリオレフィン系の薄いフィルムが使用されます。

 

電解液の溶媒には、水でなく(非水系)有機溶剤系の溶媒が使用されます。一般的にはエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)にジエチルカーボネート(DEC)などを混合させたものを使用します。

 

電解液の溶質には、リチウム含有塩であるLiPF6が使用されることがほとんどです。

 

以下にイメージ図を示します。

 

 

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リチウムイオン電池の反応、反応式

リチウムイオン電池の動作原理を上で解説しましたが、具体的な反応式はどのようなものなのでしょうか?

 

以下に正極活物質にコバルト酸リチウム、負極にグラファイトを使用した一般的なリチウムイオン電池の反応式を示します。

 

右向きの反応がリチウムイオン電池を放電している時の反応です。
このとき、正極へLiイオンがインターカレーションされ、負極からLiイオンが脱インターカレーションされます。

 

逆に左向きの反応がリチウムイオン電池を充電している時の反応です。
このとき、負極へLiイオンがインターカレーションされ、正極からLiイオンが脱インターカレーションされます。

 

また、電池関連用語としてアノード、カソードという言葉があり、基本的には電池の正極をカソード(Cathode)、負極をアノード(Anode)と呼びます。

 

厳密な意味としてのアノードは酸化反応が起こる電極、カソードは還元反応が起こる電極という意味があり、電池の充放電により本来の意味でのアノード、カソードは変化します。

 

ただ、電池は放電反応が自然に起こる向きであり、この場合のアノード、カソ―ドを基本としているため、アノードが正極、カソードが負極と固定されています。

 

 

いまでは、正極活物質にはコバルト酸リチウムだけではなく、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケル酸リチウムなど幅広い材料が採用されています。

 

負極活物質は実用に至っているのは黒鉛を始めた炭素系材料やチタン酸リチウムが主です。シリコン系負極も徐々に採用が進み始めています。

 

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リチウムイオン電池の性能比較、特徴(特長)

 

リチウムイオン電池は他の二次電池と性能比較した際、高電圧、高エネルギー密度、高出力、長寿命であるといったメリット(特長)があります。

 

二次電池の種類としましては、ニッケル水素電池、鉛畜電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー電池などが挙げられます。

 

以下に、作動電圧、質量エネルギー密度、体積エネルギー密度、寿命、作動温度、安全性についてまとめた表を示します。

 

 

高電圧

 

リチウムイオン電池は作動電圧が他の二次電池やマンガン電池アルカリ電池などの一次電池(1.5V程度)よりも高く、およそ3~4V程度と高いです。

 

そのため、容量(Ah)と電圧(V)を掛け合わせた値である出力も高くなります。

 

スマートハウスやゼロエネルギーハウスに設置されているような家庭用蓄電池であったり、電気自動車に搭載される電池には高電圧が求められるため、リチウムイオン電池が採用されることが一般的です。

 

作動電圧が高い理由としては、正極活物質や負極活物質の組み合わせとして電圧が高くなるような組み合わせ(電気化学エネルギーが大きい)をとっているからです(専門用語では標準電極電位の差が大きいとも表現します。)。

 

※具体的な値は二次電池と性能比較のページにて解説しています。

 

高エネルギー密度

 

高出力であり、鉛蓄電池のように比重の大きい材料を使用していないために、容量(Ah)に平均作動電圧(V)をかけ、質量(Kg)で割った値である質量エネルギー密度(Wh/kg)が大きいです。

 

また、同様に体積エネルギー密度も大きいです。

 

家庭用蓄電池や電気自動車のように、限られたスペースに出来るだけ軽くしていれる必要がある場合は、高エネルギー密度が求められます。

 

結果として、家庭用蓄電池や電気自動車にはリチウムイオン電池が採用される場合が多いです。

 

※具体的な値は二次電池と性能比較のページにて解説しています。

 

長寿命

 

リチウムイオン電池は産業用の向けの二次電池(NAS電池やレドックスフロー電池)を除いた二次電池の中では、寿命が非常に長いです。

 

特に、高温や低温下で、ハイレート充放電を行うなどの高い負担をかけなければ、10年経っても初期の容量の80%以上を保持できる製品もあります。

 

動作温度範囲が広い

 

電解液の水でない(非水系)の有機溶剤系のものを使用しているため、氷点下(0℃)以下などの低温下でも電解液が凍ることがないために、使用することが可能です。

 

最近では、リチウムイオン電池の動作温度範囲(作動温度範囲)は-20℃~60℃程度と幅広い製品も出てきています。

 

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リチウムイオン電池の課題(デメリット) 安全性が低いこと

長所が多いリチウムイオン電池ですが、逆に課題はどのようなことがあるのでしょうか?

 

いまでは、ノートパソコンやスマホ向けのリチウムイオン電池の発火事故が急増しています。

 

そもそもリチウムイオン電池では、発火しやすい材料が使用されていることが多いです。
また高エネルギー密度であるために短絡などの異常が起きるとことがきっかけとなり、発火しやすい材料との反応が起こるために熱暴走に至ります。

 

(※具体的なリチウムイオン電池の発火事故のメカニズム(仕組み)はこちらで解説しています)

 

このようにリチウムイオン電池は発火事故につながる可能性が高い電池であるといえ、安全性が低いことが課題です。

 

そのため、安全性を高めるための工夫が必要です。

 

安全性を高めるためには、一般的に異常時も酸素を放出しない、正極活物質であるリン酸鉄リチウムを使用することなどが挙げられます。

 

負極活物質であるチタン酸リチウムを使用することも、比較的安全性の向上につながります。

 

さらには、リチウムイオン電池ではなく、電解質にも無機系の固体(固体電解質)を使用した全固体電池とよばれる電池では、より安全性が高められます。

 

電気自動車や家庭用蓄電池などの大型電池では、より発火の大きさも増します。そのため、安全性のこともきちんと考慮された電池を選定すると良いでしょう。

 

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リチウムイオン電池の発火時の対処方法

山手線のスマホバッテリ-(リチウムイオン電池の中のリチウムポリマー電池使用)の発火事故のように、実際にリチウムイオン電池が発火してしまった場合はどのように対処・消火すると良いのでしょうか?

 

スマホバッテリーが発火した時の対策としましたは、大量の水をかけることで消化することができます。

 

リチウムは水と反応してより発火が進むのではないか?と考える人もいるかもしれませんが、それ以上の水の消火能力の方が高いため、大量の水をかけることで鎮火することができます。

 

(※詳しくはこちらで解説しています)

 

実際に電池メーカーにてリチウムイオン電池の安全性試験など評価を行い、実際に発火させた場合は大量の水をかけることにて消火することが一般的です。

 

(消火器を使用しても大丈夫ですが、水の方が身近ですし後処理が楽です)

 

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リチウムイオン電池の大きさや形状、実際の用途(小型電池)

 

上述のようなスマホ向けバッテリーにもリチウムイオン電池が使用されていますが、リチウムイオン電池にはさまざま用途があります。

 

また、リチウムイオン電池の大きさによって用途や求められる特性が変わります。また、用途によってリチウムイオン電池の形状も変化します。

 

小型電池の用途と形状

 
小型のリチウムイオン電池の用途としては、デジカメ用バッテリーやノートPC用バッテリー、スマホ用バッテリ-(リチウムポリマー電池)、ガラケ用バッテリー、LEDライト、電動ドライバー用バッテリーなどが挙げられます。

 

このような小型電池の形状としては、18650と呼ばれる円筒型や角型やラミネート型電池などが挙げられます。

 

18650の先頭の2桁は直径を18mmを表し、残りの3桁は長さ65.0mmであることを表します。

 

他にも18650と26650などの規格があります。18650と26650の違いは、サイズの違いです。
18650電池と同様に26650では直径26mm、長さ65.0mmの電池のことを指します。

 

18650リチウムイオン電池は、LEDズームライトなどにも使用される電池です。

 

角型電池では決まった規格はありません。用途としては、デジカメ用の電池などに使用されています。

 

ラミネート型電池でも決まった規格はありません。主に、スマホ用のバッテリーなどに使用されています。

 

 

小型電池に求められる特性

 

小型電池に求められる特性としては、高容量、高電圧、高エネルギー密度、高出力などが挙げられます。

 

小型のリチウムイオン電池は大型電池と比較した場合ライフサイクルが短い製品に使用する場合が多いため、そこまで長くて3年程度の寿命があれば十分といえます。

 

また、小型電池でもリチウムイオン電池の安全性は大事ですが、大型のリチウムイオン電池と比べると小さい分、安全性の重要度は下がります(大型のリチウムイオン電池では安全性が大きく求められる)。

 

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リチウムイオン電池の大きさや形状、実際の用途(大型電池)

大型のリチウムイオン電池は、家庭用蓄電池や電気自動車(EV)用の電池などに主に使用されています。

 

以下で大型のリチウムイオン電池の用途や求められる特性、大型電池と小型電池の違いについて解説していきます。

 

大型電池の用途と形状

 

 

大型のリチウムイオン電池の用途としては、スマートハウスやゼロエネルギーハウスなどに使用されているような家庭用蓄電池であったり、電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド自動車や二輪向け始動用バッテリーなどに使用されています。

 

大型のリチウムイオン電池で18650電池のような決まった規格はなく、基本的に最終製品を扱う会社の要求を満たせるような電池設計を行っていきます。

 

基本的には、ケースに金属缶ケースを使用する大型の角型電池であるか、日産リーフ搭載電池などに代表されるラミネート型電池(アルミラミネート電池)などが挙げられます。

 

角型電池でもラミネート型電池でも、家庭用蓄電池でも移動体向けバッテリ―としてもどちらにも使用されます。最終製品を扱うメーカ-により、どちらの採用になるかが変化します。

 

大型電池に求められる特性

 

大型電池に求められる特性としては、小型電池でも求められていた高容量、高電圧、高エネルギー密度、高出力などがあてはまりますが、それと同等程度に長寿命であることや安全性が求められます。

 

特に家庭用蓄電池では10年相当の使用を想定しているといった非常に長いライフサイクルが求められます。
移動体向けのバッテリーとしてもできる限り長い方が、より好ましいです。

 

また、大型電池の方が大きい分発火した際の危険も増します。つまり、発火時の危険性を考慮しすると、より高い安全性が求められるといえます。

 

上述しましたように、安全性を高めるためには正極活物質にリン酸鉄リチウムを使用したり、負極活物質にチタン酸リチウムを使用したりするといいです。

 

電池材料から安全性を高めるだけでなく、リチウムイオン電池の構造を工夫し、放熱性を高めることなどによって安全性をより高めることが大切です。

 

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リチウムイオン電池の正極材まとめ 

 

リチウムイオン電池の正極材としての有名なものには以下のようなものが挙げられます。

 

詳細は各々ページにて記載しますが、こちらでは正極材(正極活物質)の種類と特徴について解説していきます。

 

コバルト酸リチウム(LiCoO2)

 

最も一般的な正極活物質として、コバルト酸リチウムが挙げられます。

 

コバルト酸リチウムは主に18650型円筒電池など小型のリチウムイオン電池に採用される場合が多いです。

 

正極として高い作動電位を持ちます。負極活物質に黒鉛を使用し、組み合わせたリチウムイオン電池が一般的であり、高い作動電圧(3.7V程度)を有します。

 

過充電や内部短絡が起きた際に結晶構造が崩壊し、熱暴走に至る可能性があります。

 

マンガン酸リチウム(LiMnO2)

 

電気自動車(EV)などに主に採用されている正極材はマンガン酸リチウムです。

 

マンガン酸リチウムはコバルト酸リチウムと同程度の作動電位であり、コバルト酸リチウムよりも熱安定性が高いため、若干安全性が高いといえます。

 

充放電曲線に一部プラトー(平坦)な領域ができることなどが特徴です。
 

リン酸鉄酸リチウム(LiMnO2)

 

リン酸鉄リチウムはコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムよりは作動電位が低いですが、安全性が高い材料です。

 

近年徐々に注目を浴びて生きている正極材であり、家庭用蓄電池などに採用されています。

 

NMC正極(Li(Ni-Mn-Co)O2)

 

コバルト酸リチウムと似たような層状の結晶構造であり、一部をニッケルやマンガンで置き換えることで、作動電位はコバルト酸リチウムと同等で結晶構造の安定性を若干高めた材料です。三元系正極などとも呼ばれます。

 

結晶構造の安定性から若干安全性は高まったものの、過充電などの異常事態では熱暴走につながりリスクは残ったままです。

 

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リチウムイオン電池の負極まとめ

 

リチウムイオン電池の負極材としての有名なものには以下のようなものが挙げられます。

 

詳細は各々ページにて記載しますが、こちらでは負極材(負極活物質)の種類と特徴について解説していきます。

 

黒鉛

 

(※以下工事中)

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