リチウムイオン電池の基本
こんにちは、かねまるです。 プラントライフは、化学プラントの技術者が、科学を軸に皆さんの視野を広げていく番組です。
今回は、リチウムイオン電池の話をします。 スマートフォンや電気自動車などにも欠かせないリチウムイオン電池。
最近では、電車とかホテルとか、モバイルバッテリーから火が出たっていう報道も増えてますね。
今回お話しするにあたって、一つお便りをいただいています。 予兵さんからいただきました。
やってほしい内容は、リチウムイオンバッテリーの充電、安全性あたりの話です。 飛行機持ち込みが厳しくなり、充電中は側から離れるなというホテルの掲示も見ました。
安全性と充電のメカニズム、最近出たナトリウムイオン電池のお話も聞きたいです。 とのことです。
お便りありがとうございます。 そもそもリチウムイオン電池とは?っていうお話から、なんでそれで燃えるんだろう?っていうところにつなげて、
できれば環境の影響とか、作り方とか、 リチウムイオン電池以外に何かナトリウムイオン電池とか、
種類の話も広げてお話ししていきたいと思います。 教養として知っておきたいリチウムイオン電池の話、始まります。
リチウムイオン電池の構造とリスク
そもそもリチウムイオン電池って何なんでしょうか? というお話をする前に、電池には大きく2種類あるっていうのを理解しておいてもらいたいです。
1つが充電できない、使い切りの一次電池っていうものと、充電できる二次電池です。
リチウムイオン電池は充電できますので二次電池です。 一次電池といえばマンガン電池とかアルカリ電池とかそういうものです。
そんなリチウムイオン電池の構造を見てみましょう。 電池は正極、プラス極と負極、マイナス極と、
それぞれを分けるセパレーター、 仕切りになるものと、
それらの間を埋める電解液で構成されています。 液体が入った容器の真ん中に仕切りが入っていて、それぞれに棒が刺さっているようなイメージです。
この棒に外から電源やスマホをつないで、充電とか放電とかをしていきます。
セパレーター、つまり仕切りにはリチウムイオンが通るくらいの小さい隙間が空いています。
イオン透過性って言ったりするんですけど、 正極と負極が接触してショートしないようにする保護としての役割も果たしています。
じゃあリチウムイオン電池がどうやって充電とか放電とかをしているかというと、 正極と負極にリチウムイオンをためられる構造になっています。
リチウムは原子番号3の元素です。 電池の中でリチウムイオンが移動することで充電や放電を繰り返しています。
充電しているときは正極側にあるリチウムイオンが電解液の中を通って負極側に移動します。
使っているとき、放電中っていうのは負極にためたリチウムイオンが正極に向かって移動します。 逆のルートをたどっているということですね。
このリチウムイオンが移動するときに一緒に電池も移動します。 こうして電気が使えるということなんです。
リチウムイオン電池が危ないというイメージがあるのは電解液が影響しています。 電解液は一般に有機オーバーエゴを使っていて、そこにリチウム塩を溶かしています。
リチウム塩が溶かしやすくて、なおかつ電気で分解しにくい カーボネート系の溶媒というものを使っています。
カーボネート系の電解液だと水系の電解液と比べて高い電圧に耐えられます。 だいたい3.7ボルトから4.2ボルトぐらいの間で電圧がかかっているんですけど
高い電圧に耐えられる代わりに燃えます。 有機オーバーなので可燃性が高いんです。
消防法でいう危険物 インカ性液体に該当します。
電池は小とすると火花が出ます。 その火花が着火源になって有機オーバー、つまり電解質にインカしちゃうんです。
小とすると火花が出てインカするリスク これがあります。
普段はインカしないようにセパレーターが使われているんです。 正極と不極の間に物理的な接触を防ぐために設けられています。
単純にセパレーターで仕切りをしているだけだと ビチウムイオンの通る道がなくなっちゃうので
ビチウムイオンが通れるくらいのちっちゃい隙間だけ空いている 多孔質の膜、それが用いられています。
つまりはセパレーターが安全性の鍵になっているんです。 性能としてイオンの透過性はもちろんいるんですけど
絶縁性とか機械的な強度っていうのもすごく大事になります。
燃えないように水系の電解質を使いたいけど 水だと電圧に耐えられなくて分解しちゃうので使えない
っていう問題になんとか対応している状態です。 中学か高校で水の電気分解ってやりましたよね。
水素と酸素がそれぞれ出てきて 集めた水素で火をつけてポンって音がなるようなそんな実験
覚えてないでしょうか。 水って分解しちゃうんです。
そしてもう一つ有機オバイを使う理由っていうのは 電解質であるビチウムイオンをよく溶かして
ナトリウムイオン電池の登場
電池として使うときに中でリチウムイオンが動きやすい環境になっているんですよね。 性能を上げるためにも有機オバイが使われているということです。
リチウムイオン電池はこれからのカーボンニュートラルに向けて切り札みたいな感じでどんどん開発が進められているんですけど
その一方で製造プロセス自体が新しい環境破壊とか人権の問題っていうのを引き起こしています。
そこは理解しておかないといけません。 製極材料として使っているコバルトという金属は生産地が今後民主共和国です。
どれくらい多いかというと世界のコバルトの生産量の4分の3くらいが今後民主共和国です。
このコバルトの採掘がちょっと問題になってまして、自動労働とか過酷な労働環境っていうのが長年問題視されています。
安く電池が使えるっていうのにはこういうところの負担があるんですよね。
そしてもう一つ電池のリサイクルの問題があります。
リチウムイオン電池にはリチウムとかコバルト、その他にマンガンやニッケルなど様々な金属が使われています。
電池を回収して別の種類の電池と分離して分解して目的の金属だけきれいにして取り出す。
様々な工程があります。
電池を回収するだけでももちろん物流の費用がかかります。
トラックを走らせるっていうのはエネルギーを使う、そしてCO2を排出します。
リサイクルの工程、プロセスによっては薬品を使ったり、排液が出たり、エネルギーをたくさん使ったり、
結局環境に良いのか悪いのかわからない可能性も出てきます。
もちろん資源を有効活用するっていうのが一番ですので、
安価で環境負荷の低い形でリサイクルするっていう技術の開発が求められます。
今度は実際に電池がどうやって作られているのかっていうのを話しています。
最初に液体が入った容器の真ん中に仕切りが入っていて、それぞれに棒が刺さっているイメージっていう説明をしましたけど、
実際はちょっと違うんですよね。 最初に説明したのは理科の実験でやるような形です。
私たちが知っている電池の形って筒みたいな形、 もしくは四角い箱みたいな形になってますよね。
実際にどうやって作っているのかを紹介します。 まずは電極にあたる正極と負極を作ります。
これはシート状なんです。 まず最初に電池の材料を粉から混ぜていって、
ペースト状に加工していきます。 塗ることができるようにします。
専門的には混練と言ったりします。 この混練した電池の材料をアルミ箔と銅箔にムラなくそれぞれ塗っていきます。
塗った後に乾燥させます。 ここは塗膏と乾燥という工程にあたります。
塗膏と乾燥が終わったシートを均一な厚みになるように成形して、 幅もカッターで調整します。
こうして正極と負極のシートがそれぞれできました。 それぞれのシートをセパレーターを挟んで重ね合わせて組み立てていきます。
重ね合わせたシートはロール状に巻いて目的の形状の容器の中に詰めて、 最後に電解液を入れて出来上がりです。
出来上がった後は充電と放電を繰り返して、 電池が安定して動くように調整します。
併せてどれくらいの放電容量になっているかというのの検査も行います。 私はこの作り方を最初見たとき意外でしたね。
一番最初に電池って塗るんだって思いました。 教科書とか見ていると液体の中に丸い棒の電極を挿して、
それで電気を取り出しているようなイメージだったので全然違いますよね。 概要欄に電池バーチャル工場見学という動画を載せています。
ぜひこれ見てみてください。面白いですよ。 最後にお便りのあったナトリウムイオン電池、そしてその他の電池についても紹介します。
ナトリウムイオン電池は最近販売されるようになってきましたね。 原理は実はリチウムイオン電池と同じなんです。
正極と負極の間をナトリウムイオンが移動しています。 重放電の仕組みは同じです。
そしてナトリウムイオン電池ってどこかで私の番組で紹介しています。
万博の回です。 ナトリウムイオン電池で駆動するアサヒ飲料の自動販売機がありました
っていう話をしています。 もし興味のある方はシャープ13、早速大阪万博に行ってきたっていう話を聞いてみてください。
リチウムイオン電池とナトリウムイオン電池、ほとんど原理が同じなんですけど、どんな違いがあるか。
ナトリウム、NAは海水とか岩塩から手に入ります。 塩に含まれているのでいくらでも手に入ります。
リチウムよりは入手コストがものすごく低いです。 そして正極材料はナトリウム金属酸化物、
ナトリウムとカリウムの特性
不極はハードカーボンといった素材が用いられます。 リチウムとかコバルトとか希少な金属を使っていないっていうメリットがあります。
ただその一方でエネルギー密度が低いという特徴がありまして、 同じ充電性能を持っているリチウムイオン電池より大きくて重たくなっちゃいます。
そしてもう一つ、 リチウムイオン電池と違う新しい電極を開発する必要があります。
周期表で言うとリチウムの真下にナトリウムがあります。 科学的な性能はすごく似てるんですけど、違うのはイオンの大きさです。
リチウムが小さくてナトリウムは一回り大きくなります。 電極にイオンをため込むっていう原理の関係上、
イオンが大きくなっちゃうと、今まで使ってたリチウムイオン電池用の不極材である 黒塩電極っていうのが使いにくくなります。
イオンのサイズが大きくなっちゃって、黒塩、つまりグラファイトの隙間の中に入りにくくなっています。
グラファイトっていうのは炭素で、その炭素がものすごいシート状に積み重なっているような形をしています。
その隙間にリチウムイオンが入ってたんですけど、 ナトリウムイオンになると大きくなって入りにくくなっちゃっています。
その解決策としてハードカーボン、 南黒塩化炭素っていうものを使っています。
ハードカーボンっていうのは、結晶性が低いような炭素材料になってて、 シートがランダムに積層したような形になっています。
そのランダムな隙間にナトリウムイオンが入るようになっています。 アモルファスカーボンっていう言い方もしているみたいです。
価格や環境面っていうところを考えると、 これからナトリウムイオン電池っていうのは普及が進んでいくんじゃないかなと思います。
その他にも電池を紹介します。 似たような原理でカリウムイオン電池があります。
周期表で言うと、リチウムの下がナトリウム、 ナトリウムの下がカリウムです。
縦に並んでいるものは同じ性質を示すので、 電池としての原理も同じです。
ただしナトリウムの時に大きいと言ってたのに、 カリウムになるともっと大きくなります。
そして重たくなります。 このあたりの問題が解決していけば、普及が進むかもしれません。
全固体電池の特徴
個人的にはナトリウムで十分なのかなって思ったりしています。 もう一つは全固体電池。
聞いたことあるんじゃないですかね。 電池の中のイオンを運ぶ電解質が液体ではなく固体になった電池です。
基本的な原理は液体の電解質を用いたリチウムイオン電池と同じです。 ただ電解質が固体なんです。
その代わりに固体の電解質がセパレーターとしての役割も果たしています。 やっぱり一番のメリットは、液漏れしたり燃えたりっていうリスクを下げられます。
固体になることで比較的高めの温度で耐えられるようになったり 寿命が伸びたりっていうところの期待もあります。
ただし電極と電解質がそれぞれ固体なんで接触しにくいんですよね。
原理的には電解液と電極がしっかりくっついていないといけません。
通常のリチウムイオン電池だったら電極が固体で その固体を液体の電解液が濡らすことで隙間を埋めてくれます。
固体の電解質になることで隙間ができてしまうっていうリスク それによって電気抵抗が出て性能が出なくなるっていう可能性が大きくあります。
安定した性能を出す電池を量産するっていうのが課題です。 あとそもそもイオンっていうのは固体中で動きにくいので
液体の電解質の時みたいな性能を出すっていうそもそもの課題もあります。 そしてさらに電極っていうのは充電とか放電をすると体積が若干変わります。
液体の電解質だったら追従して接触を続けてくれるんですけど 固体だと追従が難しいんです。
電極と接している部分が離れたりとか割れたりとか 劣化がしやすいんですよね。
ヨヘイさんお便りありがとうございました。 今のところは大きなイノベーションが起きない限りはまだまだリチウムイオン電池の利用が続くと思います。
ベースはリチウムイオン電池の知識を身につけて、新しい電池は何が違うのかっていう視点で見ていってください。
今回はここまでです。 プラントライフでは化学や工場に関するトピックを扱っています。
毎週水曜日と日曜日の朝6時に定期配信をしています。 番組へのお便りは概要欄にあるお便りフォームから投稿ください。
やってほしい内容っていうのはぜひお便りフォームから投稿してもらえるといつでも話をします。
もうお便りのストックが一つになったので比較的早く回答できるかなと思っています。
そしてこのプラントライフがいいなと思っていただけたら番組のフォローや各ポッドキャストアプリから評価をお願いします。
最近フォロワーさんがかなり増えてましてありがたいことなんですけど、 できたらアップルポッドキャストとか
Spotifyとかお聞きのプラットフォームのところで評価っていうのができます。 5段階で星マークぜひつけてください。
これを初めて聞きに来た方がどれくらい評価されている番組なのかっていうのがわかるので 参考になります。
ぜひよろしくお願いします。 最後にXでもし発信していただける場合はハッシュタグ
プラントライフをつけてください。 それではお聞きいただきありがとうございました。
