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00:00:02.670 --> 00:00:13.390
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。

00:00:13.390 --> 00:00:23.110
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。

00:00:23.110 --> 00:00:31.190
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。

00:00:31.230 --> 00:00:39.790
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。

00:00:39.790 --> 00:00:53.630
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。

00:00:53.750 --> 00:01:02.950
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。

00:01:02.950 --> 00:01:13.830
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、

00:01:13.830 --> 00:01:24.150
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、

00:01:24.150 --> 00:01:41.100
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。

00:01:41.100 --> 00:01:54.540
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。

00:01:54.540 --> 00:02:05.660
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。

00:02:05.660 --> 00:02:19.250
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。

00:02:19.250 --> 00:02:30.530
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、

00:02:30.650 --> 00:02:35.690
それぞれを分けるセパレーター、 仕切りになるものと、

00:02:35.690 --> 00:02:50.330
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。

00:02:50.330 --> 00:02:58.810
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。

00:02:58.850 --> 00:03:07.530
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。

00:03:07.530 --> 00:03:18.690
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。

00:03:18.690 --> 00:03:31.250
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。

00:03:31.250 --> 00:03:43.970
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。

00:03:43.970 --> 00:03:54.330
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。

00:03:54.330 --> 00:04:07.330
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。

00:04:07.330 --> 00:04:19.380
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。

00:04:19.380 --> 00:04:36.650
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。

00:04:36.650 --> 00:04:47.100
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。

00:04:47.100 --> 00:05:03.260
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

00:05:03.260 --> 00:05:13.620
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。

00:05:13.620 --> 00:05:20.700
消防法でいう危険物 インカ性液体に該当します。

00:05:20.700 --> 00:05:33.220
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。

00:05:33.500 --> 00:05:41.500
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。

00:05:41.500 --> 00:05:54.940
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。

00:05:54.980 --> 00:06:02.340
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

00:06:02.340 --> 00:06:12.380
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。

00:06:12.380 --> 00:06:24.650
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

00:06:24.650 --> 00:06:31.690
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。

00:06:31.690 --> 00:06:41.130
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

00:06:41.130 --> 00:06:51.650
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。

00:06:51.650 --> 00:07:00.170
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

00:07:00.170 --> 00:07:06.850
覚えてないでしょうか。 水って分解しちゃうんです。

00:07:06.850 --> 00:07:14.890
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

00:07:14.930 --> 00:07:28.960
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。

00:07:28.960 --> 00:07:38.680
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

00:07:38.760 --> 00:07:48.400
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。

00:07:48.400 --> 00:08:02.280
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。

00:08:02.280 --> 00:08:11.880
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。

00:08:11.880 --> 00:08:24.160
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。

00:08:24.160 --> 00:08:31.640
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。

00:08:31.720 --> 00:08:37.120
そしてもう一つ電池のリサイクルの問題があります。

00:08:37.120 --> 00:08:48.000
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。

00:08:48.000 --> 00:08:59.000
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。

00:08:59.000 --> 00:09:02.000
様々な工程があります。

00:09:02.000 --> 00:09:08.440
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。

00:09:08.440 --> 00:09:16.760
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。

00:09:16.760 --> 00:09:27.000
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、

00:09:27.000 --> 00:09:33.400
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。

00:09:33.400 --> 00:09:38.960
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、

00:09:38.960 --> 00:09:48.460
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。

00:09:48.460 --> 00:09:54.900
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。

00:09:55.020 --> 00:10:04.780
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、

00:10:04.780 --> 00:10:14.060
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。

00:10:14.060 --> 00:10:23.620
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。

00:10:23.620 --> 00:10:34.180
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。

00:10:34.180 --> 00:10:44.420
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、

00:10:44.420 --> 00:10:51.060
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。

00:10:51.180 --> 00:11:05.660
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。

00:11:05.660 --> 00:11:15.260
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。

00:11:15.300 --> 00:11:24.740
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。

00:11:24.740 --> 00:11:38.190
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。

00:11:38.190 --> 00:11:51.720
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。

00:11:51.720 --> 00:12:01.340
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。

00:12:01.380 --> 00:12:12.820
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。

00:12:12.820 --> 00:12:23.620
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、

00:12:23.620 --> 00:12:35.180
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。

00:12:35.180 --> 00:12:50.880
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。

00:12:50.880 --> 00:13:01.360
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。

00:13:01.360 --> 00:13:10.920
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。

00:13:10.920 --> 00:13:18.520
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。

00:13:18.520 --> 00:13:27.120
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

00:13:27.120 --> 00:13:39.360
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。

00:13:39.360 --> 00:13:49.000
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。

00:13:49.000 --> 00:14:01.360
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。

00:14:01.360 --> 00:14:12.360
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、

00:14:12.440 --> 00:14:25.240
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。

00:14:25.240 --> 00:14:38.960
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。

00:14:39.000 --> 00:14:47.800
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。

00:14:47.800 --> 00:15:01.280
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。

00:15:01.280 --> 00:15:12.240
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、

00:15:12.240 --> 00:15:23.160
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。

00:15:23.200 --> 00:15:32.480
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。

00:15:32.480 --> 00:15:41.080
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。

00:15:41.080 --> 00:15:51.820
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。

00:15:51.900 --> 00:16:01.420
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。

00:16:01.420 --> 00:16:12.420
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。

00:16:12.420 --> 00:16:23.260
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。

00:16:23.460 --> 00:16:34.590
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。

00:16:34.590 --> 00:16:43.550
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。

00:16:43.550 --> 00:16:52.590
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。

00:16:52.590 --> 00:16:59.950
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。

00:16:59.950 --> 00:17:08.190
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。

00:17:08.190 --> 00:17:19.110
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。

00:17:19.110 --> 00:17:28.190
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。

00:17:28.190 --> 00:17:39.870
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。

00:17:39.870 --> 00:17:51.590
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。

00:17:51.590 --> 00:18:07.470
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。

00:18:07.470 --> 00:18:16.750
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。

00:18:16.750 --> 00:18:25.750
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。

00:18:25.750 --> 00:18:33.430
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。

00:18:33.470 --> 00:18:44.790
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。

00:18:44.790 --> 00:18:57.270
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。

00:18:57.270 --> 00:19:07.790
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

00:19:07.790 --> 00:19:23.070
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。

00:19:23.190 --> 00:19:33.150
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。

00:19:33.150 --> 00:19:46.110
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。

00:19:46.110 --> 00:19:58.270
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。

00:19:58.270 --> 00:20:07.390
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。

00:20:07.390 --> 00:20:14.550
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。

00:20:14.550 --> 00:20:26.350
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。

00:20:26.350 --> 00:20:34.430
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。

00:20:34.430 --> 00:20:43.110
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。

00:20:43.190 --> 00:20:51.710
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。

00:20:51.710 --> 00:21:00.470
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

00:21:00.470 --> 00:21:11.070
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。

00:21:11.070 --> 00:21:19.830
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。

00:21:19.830 --> 00:21:27.590
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

00:21:27.590 --> 00:21:34.830
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。