リチウムイオン電池は、現代の携帯電話や電気自動車など様々な分野で広く利用されていますが、その性能や安全性にはまだ改善の余地があります。特に、電解質の危険性や原材料のコスト、デンドライトの析出などが課題とされています。そこで、次世代の二次電池が注目されています。ナトリウムイオン電池や全固体電池、マグネシウムイオン電池など、これらの技術は従来のリチウムイオン電池の課題を克服し、より高性能で安全なエネルギー貯蔵技術を提供することが期待されています。
リチウムイオン電池ってどんな電池?
リチウムイオン電池(LIB)は、リチウムイオンが電極間を移動することで電力を供給する二次電池(充電可能な電池)です。最初にソニーが1991年に商業化し、その後急速に普及しました。現在では、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車、エネルギー貯蔵システムなど、さまざまな用途で広く利用されています。
リチウムイオン電池の基本構造は、正極(カソード)、負極(アノード)、電解質、およびセパレーターから成り立っています。正極材料としては、リチウムコバルト酸化物(LCO)、リチウム鉄リン酸塩(LFP)、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)などが使用されます。負極には通常、グラファイト(炭素材料)が用いられます。電解質はリチウム塩を含む有機溶媒で、セパレーターはイオンの移動を許しながら電極間の短絡を防ぐ役割を果たします。
LIBの利点としては、高エネルギー密度、長寿命、低自己放電率などが挙げられます。一方で、短所としては、過充電や過放電に対する敏感さ、特定の温度範囲外での性能低下、発火や爆発のリスクなどがあります。そのため、適切なバッテリーマネジメントシステム(BMS)の導入が不可欠です。
リチウムイオン電池は、持続可能なエネルギー社会の実現に向けて、今後も重要な役割を果たしていくでしょう。
リチウムイオン電池の弱点って何?
電解質溶液の危険性
リチウムイオン電池の電解質には、有機溶媒(例えば、エチレンカーボネートやジメチルカーボネート)が使用されます。これらの有機溶媒は可燃性が高く、高温やショートサーキットによって容易に発火する可能性があります。さらに、電池が物理的に損傷を受けたり、過充電されたりすると、熱暴走(thermal runaway)を引き起こし、爆発や火災のリスクが生じます。
安全性: 電解質溶液の高い可燃性は、特にスマートフォンや電気自動車などの用途において重大な安全上の懸念を引き起こします。
対策: 固体電解質の開発や、安全性を高める添加剤の研究が進められていますが、完全な解決には至っていません。
電解液に発火すると消火が困難です。海外では、電気自動車の電解液の消火のために、1日間水のプールにつけておく設備があります。
リチウムや、コバルト、銅のコストについて
リチウムイオン電池の主要な構成要素であるリチウム、コバルト、銅は、供給の不安定性と高コストが課題となっています。特にリチウムの価格は近年急騰しており、供給も地理的に限られています。主要な生産国はオーストラリア、チリ、アルゼンチンなどで、供給の安定性が懸念されています。またコバルトは、特にカテノリック材料(正極材料)として使用されますが、主要な供給元であるコンゴ民主共和国に依存しています。この地域の政治的不安定性や労働環境の問題が供給リスクを高めています。
経済性: これらの金属の高コストは、リチウムイオン電池の製造コストを押し上げ、電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵システムのコスト削減を妨げています。
対策: 代替材料の開発(例えば、ナトリウムやマグネシウムを使用した電池)や、リサイクル技術の向上が進められています。
デンドライトの析出による劣化
デンドライトは、充電中にリチウムが不均一に析出して成長する針状の構造物です。これらが成長すると、セパレーターを貫通し、正極と負極のショートサーキットを引き起こすことがあります。
影響: デンドライトの成長は、電池の性能を低下させ、充放電サイクル寿命を短縮させます。また、ショートサーキットによる火災や爆発のリスクを高めます。
原因: デンドライトの成長は主に、高電流密度や急速充電、電解質の不均一性などによって引き起こされます。
デンドライトの析出はリチウムイオン電池の発火の原因となっています。
リチウムイオン電池の課題を解決する次世代二次電池とは?
次世代の二次電池は、現在のリチウムイオン電池の課題を克服し、より高性能で環境に優しいエネルギー貯蔵技術として注目されています。
ナトリウムイオン電池(Sodium-Ion Batteries)
ナトリウムイオン電池は、リチウムの代わりにナトリウムを使用する二次電池です。ナトリウムはリチウムに比べて地球上に豊富に存在し、コストも低いため、経済的な利点があります。
特徴: 低コスト、地球に豊富な資源、環境負荷の低減。
性能: リチウムイオン電池ほどの高エネルギー密度は持たないものの、最近の研究ではエネルギー密度や充放電サイクル寿命の向上が報告されています。
ナトリウムは海水の塩から採取できるので、安価な材料ですね。
全固体電池(All-Solid-State Batteries)
全固体電池は、液体の電解質を固体電解質に置き換えた電池です。これにより、安全性が大幅に向上し、高エネルギー密度も実現可能です。
特徴: 高エネルギー密度、安全性の向上、長寿命。
性能: 現在のリチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度を持ち、熱暴走のリスクが低減されます。
液体の電解液を使用しないことで、火災のリスクはかなり減りますね。
マグネシウムイオン電池(Magnesium-Ion Batteries)
マグネシウムイオン電池は、リチウムの代わりにマグネシウムを使用する電池です。マグネシウムはリチウムよりも安価で安全性が高い材料です。
特徴: 安全性の向上、低コスト。
性能: エネルギー密度はリチウムイオン電池に匹敵する可能性があり、充電速度も速いです。
応用例: モバイルデバイス、電気自動車、エネルギー貯蔵システム。
おわりに
次世代の二次電池は、リチウムイオン電池の克服すべき課題に対応し、より高性能で安全なエネルギー貯蔵技術として期待されています。ナトリウムイオン電池は地球上に豊富なナトリウムを使用し、低コストで環境負荷も低減します。全固体電池は液体の電解質を固体に置き換え、安全性を飛躍的に向上させ、高エネルギー密度も実現可能です。さらに、マグネシウムイオン電池も安全性とコスト面で優れ、リチウムイオン電池と同等の性能を持つ可能性があります。これらの技術が進展することで、持続可能なエネルギー社会の実現に向けた大きな一歩となるでしょう。