リチウムイオン電池の仕組みとは？

人類が初めて電池を発明したのは1800年のことです。それから200年以上のときが経ち、現代では身の回りの多くのものが電池をエネルギー源として動いています。

それらに使用されているいわば最も生活に身近な電池が「リチウムイオン電池」です。今ではよく耳にする言葉だが、目覚まし時計や懐中電灯などに入れる使い捨ての乾電池とは何が違うのか。

リチウムイオン電池とは

電池には目覚まし時計やリモコンに入れる使い切りの「一次電池」と、充電して何度も使える「二次電池」があります。

リチウムイオン電池は「二次電池」にあたります。また、リチウムイオン電池は他の二次電池と比べ軽量化や小型化が可能で、多くの電気を蓄えられることが特徴です。

リチウムイオン電池とは、電極にアルカリ金属の一種であるリチウムを使用し、リチウムイオンが電解液の中の正極と負極の間を移動することで、充放電する電池のことをいう。

リチウムイオン電池の起源は意外にも古い。アメリカの化学者であるマイケル・スタンリー・ウィッティンガム氏は、石油ショックをきっかけに石油の代替エネルギーの開発を進めた。1976年に正極に二硫化チタン、負極に金属リチウムを用いたリチウムイオン電池を発明。これが最初期のリチウムイオン電池とされる。その後、1983年に旭化成の吉野彰氏が現在のリチウムイオン電池の原型を開発した。

リチウムイオン電池は、正極と負極、それらを隔てるためのセパレータ、隙間を埋める電解液で構成されている。正極にあるリチウムイオンが電解液を経由して負極、またはその反対に負極から正極に移動することで、充電や放電が起こる。従来の電池に比べ、劣化しにくいだけでなく、より大きな電力を扱うことができる。

発火の危険性がある

過充電や過放電などによって、発熱が繰り返されて温度の制御不能に陥る「熱暴走」を引き起こすリスクがある。最悪の場合、破裂や発火などを招く。

近年では、ダラスからフロリダ州オーランドに向かうスピリット航空の機内で、電子機器に内蔵されたリチウム電池が発火し、緊急着陸する事案が発生した。このようなリチウムイオン電池による発火事例は、たびたび報告されている。

寿命年数が短く、劣化しやすい

リチウムイオン電池は自己放電に強い特性をもつが、先に述べたように1ヶ月で1〜5%程度電池の容量が減少する。使用条件によって寿命年数は異なるが、スマートフォン用のリチウムイオン電池で2〜3年程度、電気自動車でも約8年から10年が目安とされる。

温度変化に弱い

リチウムイオン電池は、高温や低温環境に弱い性質をもつ。周囲温度が5℃以下になると、リチウムイオン電池の内部抵抗が増加して放電容量が減少する。許容周囲温度は最高で約45℃までとされ、電池の寿命を縮めるだけでなく、電池本体の性能低下や発火などを引き起こす恐れがある。

リチウムイオン電池の寿命と長持ちさせる方法

何度も充電して使用できるリチウムイオン電池にも寿命はあります。この章では、リチウムイオン電池の寿命と、できるだけ長持ちさせる方法を3つご紹介します。

リチウムイオン電池の寿命を測る指標は「使用期間」と「サイクル回数」の2点です。使用期間は文字通り「何年使用できるか」を指します。リチウムイオン電池の使用期間は6年から10年とされています。サイクル回数は「100％充電されている状態から0％になるまでを1サイクルとし、何サイクル利用できるか」を指します。

一般的なリチウムイオン電池を毎日100％まで充電した場合、1年半ほどで500サイクルになり60％ほどの容量に減少します。

満充電の期間を短くする

リチウムイオン電池の劣化を早める原因のひとつは「充電が満タンの状態を継続すること」です。100％充電されているのに充電を継続することを「過充電」といいます。この過充電は、電池の異常発熱を引き起こし、それが発火につながることもあります。充電する際は8割程度で充電を止め、十分に充電されたら充電ケーブルを抜いて使用するようにしましょう。

高温の場所に放置しない

リチウムイオン電池の最高許容温度は45℃です。そのため、45℃を超える環境での利用は劣化を早める原因のひとつです。日本では外気温が45℃を超えることは考えにくいといえます。しかし、直射日光に当たる場所や夏場の車内、浴室など許容温度を超える場面は十分に起こり得ます。こういった場所での長時間の使用は避けましょう。

過放電状態を避ける

前述で充電100％の状態の継続はよくないことをお伝えしましたが、0％の状態もまたリチウムイオン電池の寿命を縮める要因のひとつです。充電0％が継続されることで「過放電」が起こります。過放電状態が続くと、必要最低限の電圧を下回る「深放電」状態になります。深放電になるとリチウムイオン電池は著しく劣化し、再び電気を貯めることは難しくなるでしょう。また、電子機器の電源を切っていてもリチウムイオン電池は少しずつ放電します。しばらく使用しない場合も5割ほど充電がある状態にしてから保存するようにしましょう。