リチウムイオン二次電池 - 通信用語の基礎知識

充電して使用できる二次電池の一種。電解液中のリチウムイオンが電気伝導を担うもの。

概要

一般には正極にコバルト酸リチウム、負極に結晶性の高い黒鉛系材料を用い、正極と負極を分離するセパレータにはポリオレフィン多孔膜、電解液には有機溶媒を用いている。

しかしコバルトは高価であるため、他の金属を用いる研究も進められた。

東芝が開発した新型の高性能リチウムイオン二次電池「SCiB」では、正極にチタン酸リチウムを採用している。

また、産業技術総合研究所関西センターが発表した論文によると、鉄含有リチウムマンガン酸化物を用いると、従来のコバルトより安価になり、容量も約1.4倍に向上する、された。

1971(昭和46)年、松下電工が弗化黒鉛リチウム一次電池として商品化し、これを1980年代に二次電池として利用できるように改良した。

そして更に改良してバナジウムニオブリチウム電池が作られた。

これを更にソニーが改良し、1992(平成4)年に開発したものがリチウムイオン二次電池である。

以降、ノートパソコンや携帯電話などの多くの機器に採用されている。

他の二次電池に比べるとエネルギー密度(電池の単位体積当たり・単位重量当たりの貯蔵エネルギー量)が高く、特に重量面ではニッケル水素蓄電池の約1.7倍のエネルギー密度に相当する。

またリチウムの性質から電圧が3.6Vと高い特徴がある。

その他の特性にも、メモリ効果がない、充電は1〜2時間で完了する、充放電サイクルに伴う容量低下が小さいなどの優れた点が多く、しかも放電特性などはリチウム一次電池とほぼ同等のものを持っている。

リチウムイオン二次電池は専ら充電回数で消耗すると言われており、大体数百回程度の充放電が寿命の目安と言われる。

欠点として、過充電や過放電に弱い点があるため、普通、充放電管理用のICとともに用いられる。

松下電工が当初開発したバナジウムニオブリチウム電池は、負極の金属リチウム上に結晶突起が成長してしまい、使用中に発火する事故があるなど安全性に問題があった。

そこでソニーは、負極の炭素負極材にリチウムイオンを吸蔵させるようにして結晶突起の問題を解決した。更に、電池内温度の異常上昇を感知するための感温素子を設置し、電極間にセパレータを設置。また過充電に対して充電遮蔽弁を設置する事により更に安全性を高め、リチウムイオン電池の名称で商品化を行なった。

しかし、それでも一定のリスクのある電池であることは変わらない。

かくして、国内のメーカーは(無事故という意味では)全滅した。海外では南鮮や支那、台湾なども作っている。

だが、日本のメーカーも諦めたわけではなかった。新たなリチウムイオン二次電池を開発したのは東芝である。

このリチウムイオン二次電池「SCiB」は安全性を高めている。正極にチタン酸リチウムを採用し、電解液やセパレータには引火点が高い物質を用いることで内部短絡が発生しても熱暴走を起こしにくくしている。故意に物理的にバッテリを潰し短絡させても、温度は100℃を超えず、発煙も発火も生じなかったとしている。

他に、次のような利点があるとしている。

但し、利点ばかりでもなく、次のような難点もある。

充放電で正極中のLiイオンが正負極間を単に行き来するように動作する、ニッケル水素蓄電池と同じくロッキングチェア型の機構である。

【充電】Li_yCoO₂ + C_xLi ⇄ LiCoO₂ + C【放電】

上記は、充電(正極+負極)⇄放電(正極+負極)の式を表わしている。

式中のx、yは実際は数字で、y=1-x、0<x<1、という関係がある。

また、電解液には有機溶媒系電解液が使われているが、見かけ上反応には関与しない。