リチウムイオン電池の特徴と仕組み

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リチウムイオン電池の概要

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リチウムイオン電池は、正極にリチウム金属酸化物、負極に炭素を用いた電池で、小型軽量かつ、メモリー効果による悪影響がない高性能電池のひとつです。鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池のように、環境負荷の大きな材料を用いていないというのも利点のひとつです。

正極のリチウム金属化合物と、負極の炭素をセパレーターを介して積層し、電解質を充填した構造となっており、高電圧を維持できるという利点があります。リチウムイオン電池はリチウム電池と区別されており、充電ができる電池であることから「リチウムイオン二次電池」という名称で呼ばれることもあります。一般的に「リチウム電池」と呼ぶ場合は、一次電池である充電ができない使い捨ての電池を示しています。

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、容易に高電圧を得ることができるため、携帯電話やスマートフォン、ノートパソコンなどの内蔵電池として多用されています。リチウムイオン電池の定格電圧は3.6V程度であり、小型ながら乾電池と比べても大容量・長寿命であるため、携帯電話などの小型機器のバッテリーとして広く使用されています。

ニッケルカドミウム電池や、ニッケル水素電池などと比較して、充電によるメモリー効果が見られないため、頻繁な充放電の繰り返しや、満充電に近い状態での充電状態が多くなりがちな、携帯電話やノートパソコンといったモバイル機器の電源として適しています。

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リチウムイオン電池の特徴

定格電圧は3.7Vですが、満充電で約4.2V、終止電圧で2.8V程度になります。充電のサイクル回数は500回程度で、保存による自己放電量も少ない高性能な電池です。充電サイクル回数は、500回の充電回数を繰り返した時点で、電池容量は60%程度まで減少するとされています。

例えば、携帯電話やスマートフォンに搭載したリチウムイオン電池の場合、毎日夜に充電すれば1年半程度で、電池容量が60%程度まで減少してしまいますので、新しい電池に交換しなければすぐに充電がなくなってしまうことになります。

メモリー効果

メモリー効果とは、電池に充電された電力を使い切らないうちに、何度も浅い充電を繰り返すことにより、最大容量が小さく記録されてしまい、電池の見掛け容量が小さくなってしまう現象です。

ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池では、メモリー効果の影響が大きく、過放電にならない程度に放電を行う必要がありましたが、リチウムイオン電池の場合はメモリー効果が見られず、電池を使い切らずに繰り返し充電しても電池に悪影響を及ぼさないという利点があります。かつ、充電回数も多く、急速充電特性も良好なため、従前の二次電池と比較して多くの利点があります。

リチウムイオン電池はメモリー効果が無いことから、携帯電話やスマートフォンを常に充電したままにしても、充電特性に悪影響はありません。しかし、メモリー効果による充電量の低減はなくとも、常時満充電による高温状態が継続していると、熱による劣化が進行してしまい、リチウムイオン電池の使用環境としては極めて過酷となり、寿命低下を引き起こすおそれがあります。

リチウムイオン電池使用時の注意点

リチウムイオン電池は各種の利点がありますが、場合によって寿命を短くしてしまう使い方もあるため、注意が必要です。

携帯電話を新規購入した場合、電池がほとんど切れる寸前になっていることを経験した方もいると思いますが、電池を長時間保存する場合は、満充電ではないことが望ましいとされています。満充電された状態での保存は、リチウムイオン電池本体の劣化を早める原因となりますので、満充電となっている期間を短くするほど、同じ電池を長期間使用できます。

これは、電池を長期間使用していない場合だけでなく、リチウムイオン電池を実際に使用している時も同様です。常に充電器にコンセントを接続したままにするなど、浅い充電を繰り返し、満充電になっている状態が継続していると、電池の寿命に悪影響を及ぼすことになります。

しかし、携帯電話などはいつ持ち運ぶかわかりませんので、常に満充電にしておきたいものです。電池を持たせたいあまりに、満充電にせずに使用して利便性を損なうのは望ましいことではありませんので、携帯電話やスマートフォンでの利用にあっては、定期的な電池パックの交換を行う必要があります。

満充電継続による電池性能の劣化

携帯電話やスマートフォン、ノートPCなど、毎日の持ち運びを前提としている電気機器においては、満充電時間の継続による電池性能の劣化が欠点となります。これら電気機器は、使用中に電池が切れてしまうことを防ぐため、常に完全充電の状態で使用するのが基本となっており、かつ持ち運びをせず常に電源プラグが接続された状態では、ほぼ満充電に近い状態がキープされます。

このような使用方法は、リチウムイオン電池の特性上、良くない使い方となります。かつ満充電した電池を搭載した電気機器は常に25℃前後の安定した環境ではなく、車内や直射日光にさらされる場所など、過酷な温度条件に晒されることも珍しくなく、温度上昇による寿命の劣化も合わせて懸念されます。

リチウムイオン電池の最高許容周囲温度は45℃と規定されています。通常、45℃以上の周囲温度になることは考えられませんが、直射日光の当たる車内に放置すれば、すぐに45℃を超過し危険温度となります。寿命の低下だけでなく、異常発熱による発煙や発火、本体の変形など不具合につながります。

このような高温条件では、電池は著しい性能劣化を引き起こします。これらの影響が組み合わされ、一般的には500回と言われる充電サイクル回数に至る前に、電池が寿命となることも多いとされていますので、保管方法にも十分な注意が必要です。

過放電による電池性能の劣化

電池は過放電に弱く、一度過放電が継続すると、セルの劣化が著しく進行し回復不能となることがあります。過剰に放電された電池を再度充電するのは難しく、再利用不能となることがありますので、放電のしすぎには特に注意が必要です。

最低電圧が2.8V程度となった時点で、電池の放電を停止するよう保護装置が組み込まれており、過放電状態となることは通常ありません。放電された状態で放置したり、組み合わせられた電池の一部セルが過放電となることで発生することがありますが、一度過放電となってセルが劣化すれば、再度充電できず、全体の電池容量が低下したり、異常発熱につながるおそれがあります。

電池の保護回路

リチウムイオン電池は電力密度が高く、過充電や過放電、短絡などの異常発熱により発火・発煙が発生すると、火災につながるおそれがあります。過充電を防ぐために、電池の充電が完了した際に充電を停止する安全装置や、放電をし過ぎないように放電を停止する安全装置が組み込まれています。

電池パックの端子間が短絡した場合にも、短絡電流による異常発熱が継続しないよう、同様の安全装置が組み込まれています。過充電の安全装置が組み込まれていなければ、際限なく電池の充電が進み、本来4.2V程度が満充電があるリチウムイオン電池が4.3、4.4Vと充電されてしまい、最終的には発火につながります。

発火事故は充電中が多く、安全装置が働かなかったり、セルの電圧アンバランスによって一部セルが異常電圧となるといったことが考えられます。

一般的に、過充電停止、過放電停止の保護回路は、電子回路によって電圧を計測し、電圧が一定値以上となった際に充電を停止するよう組み込まれます。過放電も同様、電圧が一定値以下となった場合に放電を停止します。

過放電状態に近い電池は、長時間の充電を行わないと、安全装置が解除されないことがあります。一部のスマートフォンやタブレットPCでは、過剰に放電を行った場合、24時間もの長時間に渡って充電し、電圧が3.0Vなど比較的高い数値にならない限り、復帰しないといった安全装置を組み込んでいることもあります。

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建築産業・自動車分野のリチウムイオン電池利用

建築産業や自動車分野で、リチウムイオン蓄電池は広く活用されています。無停電電源装置や防災用蓄電池、電気自動車のバッテリーなど、小さな容積で大きな電気容量を貯め込むことができる特性を活かし、幅広く普及しています。

無停電電源装置としての活用

高い電力密度と、長時間に渡る安定した高電圧出力昨日を活かし、産業用の無停電電源装置や、防災用蓄電池の電源として、リチウムイオン電池が活用されています。

リチウムイオン電池を使用することで、機器の小型化・軽量化を図ることができ、設置スペースの低減など、限られたスペースの有効利用が求められる建築計画に対しては、大きな利点となります。天井裏設置や壁掛け設置など、従来の鉛蓄電池では不可能だった設置方法も選択できる可能性があり、よりスペースの有効利用が図れます。

鉛蓄電池のUPSでは、寿命が2~3年と短く、交換周期も頻繁となりますが、リチウムイオン電池のUPSでは、交換周期を約2~4倍の8年まで延長でき、運用コストの低減を図れます。電池交換時はUPSの機能が失われていますので、交換頻度が少なければ、UPS停止期間の短縮につながり、電源品質の維持が可能です。

電気自動車での活用

リチウムイオンを用いた電池は、電気自動車やPHEVに搭載されています。携帯電話やスマートフォンなどに用いられている小規模の電池と違い、24~30kWhもの電源容量を持ち、自動車の大型モーターを駆動できる大きな出力を併せ持っています。

電気自動車に搭載されている電池を、家庭用電源として利用する取り組みが進められています。電気自動車の電池から出力される電源は直流であり、自動車のモーターを駆動することは可能ですが、家庭用の電源として直流は使えません。

電気自動車の電池を家庭用電源として使うためには「Vehicle to Home」と呼ばれる仕組みを用い、直流電源を単相交流200/100Vに変換しなければいけません。

電気自動車の電源を家庭用電源に変換する装置は、ニチコンの「EVパワー・ステーション」などが代表的です。リーフを接続しておけば、電力のピークシフトにも活用でき、深夜電力の有効活用にもつながります。

単相交流に変換された電力は、家庭用の分電盤に接続すれば、停電時にも電気自動車から電力供給できます。電気自動車を蓄電池として用いることで、災害時の非常電源としての活用も期待できるので、防災備蓄電源を常備するのと同じになります。

日産リーフなどは約24kWhの蓄電池容量があり、今後の新車種ではさらに電池容量を高めて航続距離を伸ばすことが検討されています。一般的な家庭であれば、月あたり300kWhの消費電力量が平均ですから、換算すると1日あたりの10kWhほどの電力を消費しています。満充電の電気自動車があれば、日常と同じ電力の使い方であっても、2日間以上の電力を得られる計算になります。

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