リチウムイオン電池とは？意味をわかりやすく簡単に解説

リチウムイオン電池とは

リチウムイオン電池は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充放電を行う二次電池の一種です。小型で軽量ながら高いエネルギー密度を持つため、スマートフォンやノートパソコンなどのモバイル機器、電気自動車、さらには宇宙開発に至るまで、幅広い分野で利用されています。リチウムイオン電池は、私たちの生活に欠かせない存在となっていると言えるでしょう。

リチウムイオン電池の登場は、携帯電子機器の小型化と高性能化を大きく後押ししました。従来のニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と比較して、エネルギー密度が高く、自己放電が少ないという利点があります。これにより、より長時間の使用が可能となり、ユーザーエクスペリエンスが向上しました。また、メモリー効果が少ないため、継ぎ足し充電による性能劣化を気にせず使用できます。

リチウムイオン電池は、正極、負極、電解液、セパレータという主要な要素で構成されています。正極にはリチウム複合酸化物、負極にはグラファイトなどの炭素材料が用いられることが一般的です。電解液はリチウムイオンの伝導を担い、セパレータは正極と負極の短絡を防ぐ役割を果たします。これらの材料の組み合わせや構造を工夫することで、電池の性能や安全性を向上させる研究開発が日々進められています。

リチウムイオン電池の種類と仕組み

「リチウムイオン電池の種類と仕組み」に関して、以下を解説していきます。

• リチウムイオン電池の種類（正極材料別）
• リチウムイオン電池の充放電の仕組み

リチウムイオン電池の種類（正極材料別）

リチウムイオン電池は、正極に使用される材料によって特性が異なります。代表的な正極材料としては、コバルト酸リチウム（LCO）、マンガン酸リチウム（LMO）、ニッケル酸リチウム（LNO）、リン酸鉄リチウム（LFP）、ニッケルマンガンコバルト複合酸化物（NMC）、ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物（NCA）などが挙げられます。それぞれの材料は、エネルギー密度、出力特性、安全性、寿命、コストなどの面で異なる特徴を持っています。

コバルト酸リチウムは、高いエネルギー密度を持つため、スマートフォンやノートパソコンなどのモバイル機器に広く使用されています。しかし、コバルトの資源的な制約や安全性の課題から、他の材料への代替が進められています。リン酸鉄リチウムは、比較的低いエネルギー密度ですが、高い安全性と長寿命が特徴です。電気自動車や定置型蓄電システムなど、安全性が重視される用途に適しています。

リチウムイオン電池の充放電の仕組み

リチウムイオン電池の充放電は、リチウムイオンが電解液を介して正極と負極の間を移動することによって行われます。充電時には、外部電源からエネルギーが供給され、リチウムイオンが正極から負極へと移動し、負極に蓄えられます。このとき、電子も外部回路を通って正極から負極へと移動します。放電時には、この逆の反応が起こり、リチウムイオンが負極から正極へと移動し、電子が外部回路を通って正極へと戻ります。

充放電の過程で、正極と負極の材料はそれぞれ酸化還元反応を起こします。正極ではリチウムイオンが放出される酸化反応が、負極ではリチウムイオンが挿入される還元反応が起こります。この酸化還元反応に伴って、電池の電圧が発生します。充放電のサイクルを繰り返すうちに、電極材料の劣化や電解液の分解などが起こり、電池の性能が低下していきます。そのため、電池の寿命を延ばすための技術開発が重要です。