リチウムイオン電池の仕組み

リチウム電池は、ノートパソコンや携帯電話からエネルギー貯蔵システムまで、多くの電子機器に電力を供給しています。その軽量構造により、エネルギーが豊富でありながら充電可能で、最高の寿命と信頼性を実現しています。

リチウムイオン電池は、廃棄すると危険な場合があります。リチウムイオン電池の構造には、リチウム金属元素の代わりにリチウムコバルト酸化物（LiCoO2）やその他のインターカレーション材料がよく使用されます。

リチウムイオンバッテリーとは？

リチウムイオン電池（Li-ion Batteries）は、携帯電話やノートパソコン、玩具、ハンドヘルド電動工具や玩具などの小型電化製品、さらには電気自動車やエネルギー貯蔵システムなど、大容量の電力貯蔵を必要とする電子機器に広く使用されている。リチウムイオン電池は、長寿命、高エネルギー密度、優れた負荷能力で広く知られており、ライバル技術であるニッケルカドミウムやニッケル水素とは異なり、ニッケルカドミウムやニッケル水素のような他の充電式技術のように定期的な使用によって劣化することはありません。

リチウム電池は、負極（マイナス電極）と正極（プラス電極）の間にあるリチウムイオンを電解質溶液に通すことで電気を発生させる。リチウム電池は、二次電池技術の中で最もエネルギー密度が高く、他の技術が約75Wh/kgであるのに対し、約300Wh/kgを供給する。

リチウムイオンバッテリーには、セルが接触しないようにするセパレーターなど、安全性と信頼性を高めるための複数の部品が含まれています。このセパレーターが破損すると、セル内に熱がこもり、火災が発生する恐れがある。さらに、このバッテリーには電圧レギュレーター回路と充電状態モニターも搭載され、エネルギーの出入りを調整している。

バッテリーの正極と負極を構成する活物質は、様々な元素や化合物で構成されています。一般的な選択肢としては、コバルト酸リチウム（LiCoO2）、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなどがあります。比エネルギーと比電力定格は、電池化学を選択する際の重要な指針となります。これはそれぞれ容量と負荷能力を測定するものです。

バッテリーを購入する際に考慮すべきその他の重要な点は、サイズ、形状、重量などの物理的特性です。例えば、NMCバッテリーは、性能とコストの最適なバランスを実現するために、負極にニッケルマンガンコバルトを組み合わせています。その構造は機械的ストレスに強く、高い充電電流容量が特徴で、容量損失がなくサイクル時間を短縮することができます。

リチウムイオン電池の仕組み

リチウムイオンバッテリーは、ほとんどのノートパソコン、携帯電話、その他の家電製品に電力を供給し、RV、ボート、ディープサイクル用途でもシェアを拡大している。しかし、リチウムイオンバッテリーとは一体何なのでしょうか？リチウムイオン電池は、従来の鉛電池やニッケル・カドミウム電池とは異なり、リチウムイオンがプラス電極（正極）とマイナス電極（負極）の間を移動し、電流を発生させて機器に電力を供給します。

リチウムイオン電池は、負極、正極、電解液の3つの主要部品で構成されている。負極は通常、導電性に優れたグラファイト製で、正極はコバルト酸リチウム（LiCoO2）またはリン酸鉄リチウム（LiFePO4）の金属酸化物で構成される。両元素は、電子のみを通すセパレーターで分離されている。

充電された電池は、リチウムイオンが電解液とセパレーターを経由して正極から負極に移動する。正極と負極はともに電荷移動のための活物質（基本的には塩）で覆われている。放電が始まると、負極のリチウムイオンは正極に向かって移動し、正極と炭素結合を形成して負電荷を形成し、電池に電力を供給するあらゆるデバイスから電子を引き離す。

リチウムイオン電池技術は、その可逆的なプロセスによって他の電池技術とは一線を画している。イオンは、インターカレーションという非常に可逆的な特性を持つ挿入反応によって黒鉛負極内に貯蔵され、負極は劣化やサイクルに対して非常に強くなる。

リチウムイオンバッテリーは、より多くのリチウムイオンを蓄えることができるため、他の技術に比べて高いエネルギー密度を提供します。さらに、自己放電率が低いため、充電の間隔が長くなります。この特徴により、リチウムイオン・バッテリーは、頻繁に使用されるノートパソコンや携帯電話に最適です。

リチウムイオン電池にはどのような種類がありますか？

リチウムイオン電池は、他の電池に比べてエネルギー密度が高く、セル電圧が中程度から高く、重量が軽いため、民生用電子機器で最も人気のある二次電池技術のひとつとなっている。リチウムイオンは、輸送やエネルギー貯蔵の用途でも他の種類を上回ると予想されている。

リチウムイオン電池が普及する前は、ニッケルカドミウム（NiCad）二次電池が代表的な二次電池技術でした。ニッカドは電極材料として酸化水酸化ニッケルや金属カドミウムを使用しているが、リチウムイオン電池が市場に定着するにつれ、急速に廃れつつある。

リチウムイオン電池には多くの種類があり、中でもコバルト酸リチウム電池（LCO）は最もポピュラーなもののひとつである。LCOはエネルギー密度が高く、タブレット、ノートパソコン、デジタルカメラなどのモバイル機器に広く使われているほか、電気自動車にも広く採用されている。

LCO電池は、リチウムイオンの錯体を含むエチレンやプロピレンカーボネートなどの有機炭酸塩からなる非水電解質を特徴としている。水分の侵入を防ぐため、密閉容器に保管される。他の電池と同様、その性能は使用とともに劣化する。高温と低温の環境は、容量限界を超える過充電／放電サイクルと同様に、この劣化速度を加速させる。

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）電池は、その安全性と長寿命で知られる革新的なタイプのリチウムイオン電池技術で、電気自動車やその他の高性能アプリケーションでよく見られます。

サイズや形状が異なるだけでなく、リチウムイオンバッテリーはその構成も大きく異なる。金属筐体を採用するモデルもあれば、プラスチック筐体や全固体技術を採用するモデルもある。

電気自動車（EV）には、リチウムイオンバッテリーとバッテリー管理システム（BMS）の両方が必要であり、後者は過充電やショートを防止し、報告目的でバッテリーの状態／性能データを監視し、EVの安全運転に必要な情報をコンピューターシステムに提供することを目的としている。

リチウムイオン電池の利点は？

リチウムイオン電池は、現在の電池化学の中で最も高いエネルギー密度を持ち、最新の小型電子機器やコードレス機器に理想的なソリューションです。さらに、リチウムイオンバッテリーは、ニッケル・カドミウム電池や鉛電池に見られる有毒金属を含まないため、取り扱いや寿命末期の廃棄がより安全です。

炭素とリチウムを電極材料として組み合わせているため、他のタイプの電池よりもはるかに軽量である。リチウムは、黒鉛負極またはLiCoO2正極（炭素原子6個につきリチウムイオン1個）に高密度に貯蔵された後、放電時に正極に移動して放出される。

リチウムイオンバッテリーは、他のバッテリー化学の中でも、充電保持時間が非常に長く、通常、毎月5％程度しか減らないという点で際立っている。典型的なリチウムイオンパックは、通常5％程度しか減らない。

今後、携帯電子機器、純電気自動車、定置型蓄電池の需要が高まるにつれ、それに対応するためにはリチウムイオン電池のエネルギー密度をさらに高める必要がある。大きな課題は、ハードカーボンやグラファイトでできた負極材料の容量を増やすことにある。シリコンは理論上最も高い容量（372 mAh g-1）を持つが、サイクル安定性が低いため、電気化学セルへの実装は難しい。

研究者たちは、リチウムイオン電池の正極や負極に使用する新材料を模索しており、中でも導電性ポリマーが最有力候補に挙げられている。そのようなポリマーには、ポリアニリン（PANI）、ポリピロール（PPY）、ポリチオフェン（PT）などがあり、これらは室温で高い導電性を示す一方で、低コストで最小限の加工工程で薄いシートへの加工が容易である。

リチウムイオンバッテリーは、危険な金属リチウムのメッキや制御不能な火災につながる可能性のある他のバッテリー化学物質と比較して、熱的不安定性に対して特に耐性があることが際立っています。これは、各セルに設計された内蔵保護回路によるもので、充電中や放電中にピーク電圧が許容限度を超えないようにし、過熱を避けるためにセルの温度を監視します。