リチウムイオン電池とは?原理・用途について解説。ノーベル化学賞受賞の"世界を変えた電池"!

「リチウムイオン電池」とは、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充電や放電を行う二次電池ですスマートフォン、デジカメ、自動車、蓄電などに使用されます。 

 

リチウムイオン電池の開発により、スマホ、ノートパソコン、自動車、ドローン、イヤホンなど小型電子機器を中心に一気に普及しました。まさに、人々の生活を変えた世界を変えた革新的な電池です。

 

本稿では、

「リチウムイオン電池とはどんな電池?」

「リチウムイオン電池の原理や用途ついて教えて」

という疑問にお答え致します。

 

 

リチウムイオン電池の概要

 

「リチウムイオン電池」とは、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充電や放電を行う二次電池ですリチウムイオンバッテリー、LiB、LIBなどと呼ばれます。

 

負極ではリチウムを受け取る材料(黒鉛など)、正極にリチウムを放出する材料(コバルト酸リチウムなど)を使用した二次電池です。

 

スマートフォン、デジカメ、自動車、蓄電などに使用されます。 

 

以下、リチウムイオン電池の特徴をまとめた表になります。

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用途

 

リチウムイオン電池の用途は、 スマートフォン、携帯ゲーム、デジカメ、自動車、ドローン、ウェアラブル電子機器(VR、イヤホンなど)、蓄電などに使用されます。 

  

歴史

 

リチウムイオン電池の歴史は、 1970年代頃からアメリカで始まったとされます。

 

1970年代にドイツのベーゼンハルトにより黒鉛にリチウムイオンが挿入できることが発見された。

 

1980年にアメリカのジョン・グッドイナフと水島公一により、コバルト酸リチウム(LiCoO2)が発見されました。

 

1983年に旭化成の吉野彰が、正極にコバルト酸リチウム、正極集電箔にアルミ、負極に黒鉛、セパレーターを用いることにより、現在のリチウムイオン電池の基本構成をほぼ完成させた。

 

グッドイナフと吉野彰の功績により、リチウムイオン電池は全世界に広がり、スマホなどの電子機器の電池として活躍しています。この功績が認められ、2019年にノーベル化学賞を受賞しました。

 

1991年にソニー・エナジー・テックが世界で初めてリチウムイオン電池の商業化に成功した。

 

構成

 

リチウムイオン電池の構成は以下のとおりです。

 

  • 正極 コバルト酸リチウム(LiCoO2)など
  • 負極 黒鉛(C)など
  • 電解液 プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート
  • セパレーター ポリエチレン

 

正極活物質は、コバルト酸リチウムだけでなく、コバルト系、ニッケル系、 マンガン系、リン酸鉄系など様々あります。

 

負極活物質も同様に、黒鉛だけでなく、シリコンやチタン酸リチウム(LTO)などがあります。

 

電解液も、エチレンカーボネート(EC)とポリプロピレンカーボネート(PC)だけでなく、炭酸ジメチル(DMC)や、エチルメチルカーボネート(EMC)など様々な組み合わせから構成されます。

 

反応

 

リチウムイオン電池の反応は以下のとおりです。

 

  • 負極 リチウムを含んだ黒鉛が、リチウムイオンと電子を放出します。
  • 正極 コバルト酸リチウムがリチウムイオンと電子を受け取ります。

 

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起電力

 

リチウムイオン電池の公称電圧は3.6~3.7Vです。ただし、使用する活物質により、電圧はことなるため注意が必要です。

 

特徴

 

リチウムイオン電池の特徴は以下のとおりです。 

 

メリット

  • 大容量
  • エネルギー密度が高い
  • メモリー効果がない

 

デメリット

  • 発火しやすいなど安全性が低い
  • 低温や高温、過充電、過放電に弱い
  • リチウムデンドライトの発生
  • リチウムやコバルトが高い

 

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