リチウムイオン電池とは？ 種類や仕組み、寿命などについて解説
今では、生活に欠かせなくなった電池ですが、その電池の中で最も注目を集めているのがリチウムイオン電池です。ニュースなどで、詳しい情報が取り上げられる機会も多くなっています。何気なく使っている人も多いですが、リチウムイオン電池の種類や仕組み、寿命、用途などについて理解しておくことで、より有効に活用できます。
リチウムイオン電池とは
リチウムイオン電池は、鉱物であるリチウムを利用した電池で、正極と負極の間をリチウムイオンが移動して、充放電を行う2次電池のことです。2次電池とは充電すると再使用できる電池で、他にニッケル・水素電池、ニッケル・カドミウム電池（ニカド電池）、鉛蓄電池などがあります。一方、乾電池などのように一度使い切ると使用できなくなるのが1次電池です。
電池の内部にある電解液が、水系電解液と非水系電解液かで電池を分類できますが、リチウムイオン電池は非水系電解液電池に属します。非水系電解液電池は、高電圧で高容量が特徴であるため、さまざまな用途で使われる機会が増えています。
リチウムイオン電池は環境面にも配慮された電池です。カドミウムや鉛などの有害な物質を材料とする2次電池もありますが、リチウムイオン電池はそうした有害物質を含まないため、環境にも良い電池として注目を集めています。
さらに、化学的な変化を利用しないために、副反応による劣化がなく長期間安定した性能を維持できるという長所もあります。
リチウムイオン電池の種類
リチウムイオン電池には、いくつかの種類があり、正極や負極に使われている材料によって分類できます。
正極に使用されている代表的な材料は、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムです。ニッケル酸リチウムは、高容量なのが特徴ですが、安全性の面などで課題があります。コバルト酸リチウムは、容量が少ない傾向にあるものの、安価である点が注目を集めています。マンガン酸リチウムが、総合的に評価した場合に使いやすいので、正極の材料の主流です。他にも、マンガンとコバルトを使った複合材料も使用されています。
負極の代表的な材料は、グラファイトとコークスです。グラファイトは、高容量で各種特性が優れているため、主流となっています。コークスは、放電による電圧変化を活かして使用されています。
東芝の産業用リチウムイオン電池「SCiB」は、チタン酸リチウム（Li4Ti5O12）を負極に、マンガン酸リチウムを正極に使用しています。同じリチウムイオン電池であっても、このように正極や負極にさまざまな材料が使われているのです。
使われている材料以外には形状よる分類方法もあり、円筒型／角型／ラミネート型などの種類があります。電池を搭載するスペースなどに応じて、適切な形状のもが選択されます。
リチウムイオン電池の仕組み・構造
リチウムイオン電池の基本的な構成要素は、正極、負極、セパレーター、電解液です。正極と負極はリチウムイオンを貯めるのに使用され、セパレーターは正極と負極の分離、電解液はリチウムイオンを移動させるために使います。
リチウムイオン電池は、リチウムイオンが正極と負極の間を移動する仕組みとなっていますが、エネルギーを蓄積する充電と、エネルギーを使う放電ではその動作が違います。
充電の仕組みは、充電器を接続して電流を流すと、正極にあるリチウムイオンが電解液を経由して負極に移動します。その結果、正極と負極間の電位差が発生して、電池にエネルギーが溜まります。
リチウムイオン電池を放電する時は、負荷を接続すると正極と負極が接続されて放電回路が形成されます。負極にあったリチウムイオンが正極に向かい、電流が流れるという仕組みです。
充電も放電もしていない時は、正極、負極、電解液のそれぞれにリチウムイオンが存在する状態となっています。
リチウム電池の寿命
充電をすれば何度も使えるリチウムイオン電池ですが、寿命があることに注意しなくてはなりません。リチウムイオン電池の寿命の目安としては、サイクル回数と使用期間があります。
サイクル回数は、100％充電して残量が0％になるまで使うのを1サイクルとして、何サイクル使えるのかをあらわしたものです。リチウムイオン電池の場合は、製品によって違いますが、おおよそ3500サイクルが一般的な値とされています。3500サイクル使用可能なリチウムイオン電池を毎日充電して使う場合には、9年以上持つことになります。
使用期間については、6～10年程度とされています。しかし、実際には0％以上の状態での充電、100％まで充電しない、高温下での使用などによって、耐用年数が短くなってしまうことも多いのです。寿命となったリチウムイオン電池は、蓄電容量が低下してしまうため、3500サイクルや6年より短い期間で寿命が来たと感じる人もいるでしょう。
リチウムイオン電池の用途
リチウムイオン電池は、さまざまな用途で使われています。小型で軽量という特徴を活かして、スマートフォンやノートパソコンなどの携帯可能な機器に搭載する例が増えています。リチウムイオン電池を活用すれば、場所を選ばずに機器が使えますし、比較的電気消費量の大きい機器でも対応可能です。有害な物質を使っていないという点も、多くの電気機器に採用される理由の一つとなっています。
携帯用の機器以外にも、電気自動車や産業用ロボットなどに採用されています。これは、リチウムイオン電池の高性能であることが注目されて、大型のものも次々開発／実用化されているためです。二酸化炭素の排出量を削減するために普及している太陽光発電や風量発電などを、安定して運用するために利用することも期待されています。
用途によって材料／構造／制御方法なども異なってくるため、新しい分野に対応するために、毎年のように新製品が登場しているのです。
こうした背景から、リチウムイオン電池の市場規模はおおむね右肩上がりに成長を続けています。
リチウムイオン電池が膨らむ理由
使っているうちにリチウムイオン電池が膨んでしまうのは、内部の材料が劣化したことによるガスの発生が主な原因です。正しい使い方をしていても、内部の電解液が分解して沈殿や極少量のガスが発生します。注意して使えば、微量のガスしか発生しないため膨むのを防止するのに役立ちますが、過充電や過放電を行うとガスの発生量が多くなるために膨らんでしまうのを防ぐことができません。
過充電とは、電池を100％充電の状態になっても、さらに継続して充電することです。正極から過剰なリチウムイオンが出ると材料は劣化しますし酸素も放出されるようになり、電解液が酸化分解してしまいガスが発生してしまいます。
過放電は、電池の残量が0％になっているにも関わらず、さらに使用しようとすることで放電することです。過放電の状態を続けていると、電池の銅箔が溶けて電解液の分解反応が進みガスが発生して膨らむこととなります。過放電で注意したいのが、長期間リチウムイオン電池を使わずに放置しておくことです。使わなくても自己放電によって、少しずつ電池の残量は減って行きますから、知らない間に残量が0％になり過放電の状態になることもあります。
膨らんでしまったリチウムイオン電池は、劣化しているので、できるだけ早く処分した方が良いでしょう。燃えるゴミや燃えないゴミ、プラスチックゴミとして処分すると、ゴミ収集車やゴミ処理施設で電池が発火して周りに燃え広がる恐れがあります。電池を取り出して、ビニールテープなどを使って絶縁処理をしてから、お住まいの市区町村のゴミの捨て方の指示に従って処分してください。
これから、さらに重要性を増すであろうリチウムイオン電池。特に地球にとって優しい技術であることから、世界規模で期待されている製品です。日常生活や産業にて、活躍する分野を広げていきますので、その原理や使用方法などは、誰にとっても必要な知識となりつつあります。有効／安全に使用するために、しっかりと理解しておくようにしましょう。
