リチウムイオン電池の評価方法まとめ【出力?寿命?】

リチウムイオン電池に求められる特性のまとめ【出力?寿命?】

 

近年、Galaxy note7などのリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の危険性が認識されるようになってきました。

 

ただ、リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増していきます。

 

ここでは、「リチウムイオン電池にはどのような特性が求められるのか?」「リチウムイオン電池はどのように評価するのか?」について解説していきます。

 

・リチウムイオン電池に求められる特性1 容量・電圧・出力・エネルギー密度

 

・リチウムイオン電池に求められる特性2 動作温度範囲(温度特性)・安全性・寿命

 

というテーマで解説していきます。

 

 

リチウムイオン電池に求められる特性1 容量・電圧・出力・エネルギー密度

リチウムイオン電池に求められる特性には以下のようなものが挙げられます。

 

容量

 

リチウムイオン電池において、基本的に容量が大きいほど電池は長持ちし一般的に良い電池とされます

 

スマホバッテリーや家庭用蓄電池電気自動車用電池などさまざまなリチウムイオンバッテリーがありますが、より長持ちした方が便利ですよね。

 

ここで、リチウムイオン電池の容量には単位AhやmAhで表す電気量としての意味の容量と出力ベースで考える単位Whを用いるワット時定格量としての容量があります。

 

どちらの容量を指しているかは単位に注目して判断しましょう。

 

電圧

 

リチウムイオン電池において、高電圧で作動する方が高い出力、高いエネルギー密度になる傾向にあるため、良い電池とされます。

 

一般的なリチウムイオン電池では、3V~4V付近で作動し、他の二次電池と比べても基本的に高電圧で作動します。

 

また、作動電圧は使用している正極・負極の活物質の種類や電池の内部抵抗によって変化します。

 

つまり、リチウムイオン電池の中でも作動電圧は変化し、使用する活物質の選定や電池の内部抵抗の低減により、作動電圧をより高めることができます。

 

出力

 

リチウムイオン電池において、基本的に高出力であるほど良い電池とされます。

 

出力W=作動電圧V × 通電電流I で表される値であり、上述の電圧と密接な関係があります。

 

つまり、作動電圧が高いほど、出力も高くなり、より大きなエネルギーがリチウムイオン電池から取り出されることを表しています。

 

エネルギー密度

 

リチウムイオン電池においてエネルギー密度が大きいほど良い電池とされます。
言葉の通り、電気的なエネルギーがどのくらい凝縮されているかどうかを表した量です。

 

エネルギー密度には、質量あたりのエネルギー密度と体積あたりのエネルギー密度に大きく分けられます。

 

質量エネルギー密度wh/Kg = 容量Ah × 平均作動電圧V /  質量kg で表される量です。

 

体積エネルギー密度wh/L = 容量Ah × 平均作動電圧V /  体積L で表される量です。

 

ただ、基本的にはエネルギー密度が高いほど、リチウムイオン電池の安全性が低くなる傾向にあり、このトレードオフの関係を崩し、エネルギー密度と安全性をどう両立させるかが課題となっています。

 

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リチウムイオン電池に求められる特性2 動作温度範囲(温度特性)・安全性・寿命

 

動作温度範囲(温度特性)

 

リチウムイオン電池において、動作温度範囲が広いほど良い電池とされます。温度特性(高温特性と低温特性)が高いと表現する場合もあります。

 

使用用途や使用する地域にもよりますが-20℃から60℃程度の動作温度範囲が保証して有れば、動作温度範囲が広いリチウムイオン電池であるといえます。

 

特にリチウムイオン電池は60℃以上といった高温では寿命が大幅に短くなる傾向にあります。(劣化の原因が主に負極(黒鉛)でのSEI生成により、アレニウスの式に従うため)

 

また、低温では充電時に電析と呼ばれるリチウム金属が析出する現象が起こる可能性があるために、高温同様に劣化しやすいです。

 

そのため、動作温度範囲が広いということは上記の課題を克服している電池といえるため、良い電池とされるのです。ただ、低温や高温では通電条件などを制限している場合があるためきちんと確認してから購入しましょう。

 

安全性

 

リチウムイオン電池にはメリットが多いですが、唯一の課題として安全性(危険性)が低いことがあります。
リチウムイオン電池では安全性が高いほど、良い電池とされます。

 

いまでは、リチウムイオン電池の発火事故が急増しており、安全性への注目がより集まってきています。

 

今後は電気自動車や家庭用蓄電池用などの大型のリチウムイオン電池も徐々に普及しつつあります。
大型のリチウムイオン電池の方が、爆発(破裂・発火)した場合、その威力も大幅に増えるため、より安全性が求められます。

 

ただ、上述のようエネルギー密度と安全性はトレードオフの関係にあるため、両立させることが今後の電池設計の課題となります。

 

寿命

 

リチウムイオン電池において、寿命(ライフサイクル)が長いほど良い電池です。リチウムイオン電池は他の二次電池次と比べても寿命が長いという特徴があります。

 

家庭用畜電池など高負荷がかからないような使用条件では、10年間で容量維持率80%以上を保証している製品もあります。

 

リチウムイオン電池の中でもより寿命が長い電池にするためには、正極活物質に結晶構造の高い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、正負極の容量バランス(対向容量比)や電解液の組成(成分)の最適化するといった工夫がされています。

 

寿命には、充放電を繰り返した時の寿命であるサイクル寿命と満充電状態など一定の電圧で保持した時(フロート充電)の寿命であるフロート寿命に大きく分けられます。

 

どちらにしても、容量維持率が高い状態を保て、内部抵抗は上昇しにくい電池(経年劣化しにくい電池)であるほど良い電池です。

 

これらのリチウムイオン電池に求められる特性を満たすための工夫やリチウムイオン電池の評価方法(評価試験方法)については別ページにて解説しています。

 

以下のようなレーダーグラフを作成して、リチウムイオン電池の評価に役立てると良いでしょう。

 

 

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