リチウムイオン電池について知っておくべきこと

はじめに

リチウムイオンバッテリーは、しばしば LIB と略され、充電可能なエネルギー貯蔵デバイスであ る。私たちのスマートフォンやノートパソコンから、電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵システムに至るまで、リチウムイオン電池は、私たちの電気エネルギーの使用と貯蔵の方法を一変させた。本稿では、これらの産業において LIB が果たす極めて重要な役割について、その機能原理、原材料、 利点、そして応用例について理解を深めていきたい。

[1]

図 1.リチウムイオン電池

リチウムイオン電池の動作原理

リチウムイオン電池は、驚くべき電気化学プロセスを利用している。リチウムイオン電池は、リチウムイオン（Li+）を負極と正極という2つの重要なコンポーネントの間を行き来させる原理で作動する。充電段階では、リチウムイオンが正極から取り出され負極に蓄えられ、電位差が生じる。放電段階では、電池が電力を供給しているとき、これらのイオンは電解質溶液を通して正極に戻る。

[2 ]

図2.リチウムイオン電池の構造

リチウムイオン電池材料

電気化学プロセスでは、電池の性能、エネルギー密度、および全体的な効率を最大化するために、さまざまなリチウムイオン材料が慎重に選択され、設計されます。以下にリチウムイオン電池材料の主な構成要素を示す：

--負極材料

リチウムイオン電池の負極は通常、充放電サイクル中にリチウムイオンをインターカレート（吸収・放出）できる材料でできている。一般的な負極材料には、黒鉛とシリコンがある。

l黒鉛は、その安定性と電気化学的性能から、市販のリチウムイオン電池で最も一般的に使用されている負極材である 。

lシリコンは、グラファイトに比べてリチウム貯蔵の理論容量が高い。しかし、シリコンはリチウム化・脱リチウム化サイクル中に膨張・収縮するため、工学的な課題がある。

--正極材料：

正極はもう一つの重要な構成要素であり、電池の電圧と容量を決定する。正極材料によって電圧プラトーやエネルギー密度が異なる。

lコバルト酸リチウム（LiCoO2）は 、特に民生用電子機器において、初期世代の LIB に広く使用されてきた。コバルト酸リチウム（LiCoO2）はエネルギー密度は高いが、安全上の懸念とコストのため、高容量・高出力用途ではあまり普及していない。

lリン酸鉄リチウム（LiFePO4）は、その安全性と長いサイクル寿命で知られている。安全性と長寿命が重要な電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵システムでよく使用される。

lリチウムニッケル・コバルト・マンガン酸化物（NCM）正極とリチウムニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物（NCA）正極は 、電気自動車用バッテリーで一般的に使用されています。エネルギー密度と出力密度のバランスがとれています。

lリチウムマンガン酸化物（LMO ）は熱安定性と安全性が評価されており、温度管理が懸念される用途に適している。

--電解液：

電解質：電解質は、充放電時にリチウムイオンが負極と正極の間を移動するための導電性媒体である。一般的な電解質には、有機溶媒に溶かしたリチウム塩があるが、安全性とエネルギー密度を向上させるために固体電解質が開発されている。

--セパレーター：

セパレーター：セパレーターは多孔質膜で、陽極と陰極を物理的に分離すると同時に、リチウムイオンの通過を可能にする。一般的にポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）製で、短絡を防ぎ安全性を高める上で重要な役割を果たす。

リチウムイオン電池の利点

リチウムイオンバッテリーには多くの利点があり、幅広い用途で使用されています。以下に、リチウムイオン電池の主な利点をいくつか挙げる。

l効率：エネルギー密度が高く、充電可能で、自己放電率が低い。

l耐久性：l 耐久性：LIB は、氷点下の寒さから高熱まで、幅広い温度範囲で効果的に作動する。また、サイクル寿命が長い。つまり、容量が著しく劣化する前に何度も充放電を繰り返すことができる。

l持続可能性：LIB は、いくつかの代替エネルギー貯蔵ソリューションと比較して、排出量が少なく、環境 フットプリントが小さい。

l安全性：最新の LIB は、熱保護、過充電保護、バッテリー管理システム（BMS）内蔵など、バッテリーの性能と安全性を監視・管理するための安全機能を備えています。

リチウムイオン電池の用途

これらの利点により、リチウムイオン電池はエネルギー貯蔵市場において圧倒的な地位を確立し、広範な用途で技術革新を推進しています：

コンシューマー・エレクトロニクス： リチウムイオン電池は、私たちのスマートフォン、タブレット、ノートパソコン、カメラ、その他数え切れないほどのポータブル機器に電力を供給し、私たちのますます緊密化する生活に必要な長寿命で高性能なエネルギー源を提供しています。

電気自動車（EV）： LIB は、電気自動車の主要なエネルギー貯蔵システムとして、電気自動車革命に不可欠である。大量のエネルギーを貯蔵し、効率的に供給するその能力は、電気自動車市場の成長を後押ししている。

l再生可能エネルギー貯蔵： これらのバッテリーは、ソーラーパネルや風力タービンなどの再生可能エネルギー源によって発電された電力を貯蔵するために重要である。この蓄電されたエネルギーは、再生可能エネルギーの生産量が少ない時期や、需要のピーク時に利用することができる。

l航空宇宙： LIB は、人工衛星、宇宙船、無人航空機（UAV）などの航空宇宙用途に使用されており、その高いエネル ギー密度と信頼性が不可欠である。

l医療機器： 植え込み型心臓除細動器（ICD）や携帯型医療モニターなどの重要な機器が、最も必要とされる時 に作動し続けることを保証するため、医療機器に採用されている。

結論

まとめると、リチウムイオン電池は、よりクリーンで、より効率的で、持続可能なエネルギーソリューションの変革期をもたらした。この驚異的なエネルギー貯蔵デバイスは、私たちの機器、自動車、再生可能エネルギー・システムの電力供給方法に革命をもたらし、高いエネルギー密度、耐久性、汎用性により、さまざまな産業に消えない足跡を残しています。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）では、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（NCM）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（NCA）、リチウムコバルト酸化物（LCO）、リン酸鉄リチウム（LFP）など、さまざまなリチウムイオン電池材料を販売しています。ご興味のある方はお問い合わせください。

参考文献

[1]Chandler, D. L. (2023, March 23). リチウムイオン電池コストの急落を明らかにした研究。MIT News.2023 年 9 月 12 日、https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323 から取得。

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression.Energies 2020,13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117.