最近、最も身近で使われている充電池は、リチウムイオンバッテリーではないでしょうか？
携帯、スマホ、パソコン、タブレットなど、小型で大量の電力を消費するような端末には必ずと言って良いほどリチウムイオンバッテリーが使われています。しかし、その原理についてはあまり知られておらず、かつては充電池といえば「ニカド」や「ニッケル水素」だったため、その頃の名残で沢山の誤解が生まれているのが現状です。
今回は、そんなリチウムイオンバッテリーの原理や特徴についてご説明していきます。
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大きなエネルギーを持ったリチウム
（リチウムイオンバッテリー_Wikipedia）
「リチウムイオン」と言う名前が付いているだけあって、電子の移動にはリチウムイオンが使われています。そして、電池の内部はリチウムイオンを貯蔵する陰極とリチウムと反応して電子の受け渡しをする陽極に分かれており、充放電の際にリチウムイオンがせわしなく動きまわるのがリチウムイオンバッテリーです。
リチウムの最大の特徴は、「イオン化傾向」が非常に高いこと。つまり、化学反応が非常に発生し易い物質だということです。電池は化学反応によって電気を発生させているため、化学反応の起き易さはそのまま電気的エネルギーの高さに繋がります。
言ってみれば、リチウムと言うのは大きなエネルギーを持った物質だということです。特に、酸素との燃焼反応の起こり易さは驚くほどで、水につければ水に含まれる酸素原子と反応を起こし、空気中でも空気に含まれる水分を使って反応が始まります。ちなみに、リチウムイオンバッテリーが爆発するのは、実はこのリチウムの特性が原因だったりするのですが、それについては別の機会にご説明しましょう。
リチウムイオンは高エネルギーで化学反応が起こりやすい意外にも重要な特性があります。それは、非常に小さくて軽い物質だということです。何と原子番号３番で、理屈の上では空気に浮きます。ただ、実際には金属元素なので常温で気体としては存在せず、水素やヘリウムのように風船に入れて浮かせる事はできません。
しかし、軽くて小さくて高出力というのは携帯する電池を考える上では非常に重要な要素です。携帯の電池パックを取り出してみるとわかりますが、普通の乾電池より沢山の電力を発生させられるにもかからず、小さくて軽いです。
また、リチウムを反応させるために陽極で使っているのがニッケルではないため、使いきる前に充電すると容量が少なくなるメモリー効果などの発生が少なく、放置しているだけで容量が減る自然放電も少ないというのも特徴の一つです。そのため、継ぎ足し充電を繰り返しても気にならず、頻繁に充電する機器にはぴったりです。
リチウムイオンバッテリーの原理
リチウムイオンの陽極や陰極にあるリチウム貯蔵物質には様々な物質が使われていますが、基本的な原理は皆同じです。
陽極：二酸化コバルト（CoO2） など
陰極：リチウムイオン（Li – 貯蔵にカーボンなどを利用）
電解液：炭酸エチレン（C3H4O3） など
＜陽極＞
放電時： CoO2 + Li+ + e– → LiCoO2
充電時： LiCoO2 → CoO2 + Li+ + e–
＜陰極＞
放電時： Li → Li+＋e–
充電時： Li+＋e– → Li
化学反応式を見ると、リチウムが単体で存在している様に見えますが、これはニッケル水素電池の時と同じように貯蔵物質であるカーボンなどにリチウムが貯蔵されており、通電するとリチウムがイオン化して陽極へ移動するのです。充電の際には、リチウムイオンがコバルトから外れて陰極へと移動していきます。
一方、電解液を見ると今までに見たことのないような物質が使われています。実は、リチウムは水と反応してしまうため、水溶液の類が使えません。一般に、エチレン系などの有機溶媒が使われます。
電解液に有機溶媒を使う副次的なメリットとして、液漏れなどが起こる心配が無く、ある程度の低温状態きちんと動作する点があります。ただ、それが発火の原因の一つにもなっているので、メリットばかりではありません。
このように、電解液に水は使えませんでしたし、リチウムを貯蔵する陰極の物質やリチウムと安定的に反応してくれる陽極の物質がなかなか発見されなかったため、実用化された時期は他の充電池と比べるとかなり遅いです。
一見するとシンプルな反応に見えますが、リチウムイオンバッテリーを理解する上では化学式を見るだけでは不十分です。
というのも、普通の充電池には、陰極・陽極・電解液・絶縁体程度しか含まれていませんが、リチウムイオンバッテリーにはそれ以外にも多数の機構が組み込まれています。
リチウムイオンバッテリーの制御装置
リチウムイオンバッテリーが爆発するという話をよく聞きます。もし、世の中のリチウムイオンバッテリーが陽極・陰極・電解液・絶縁体を軽く包装した程度で作られていたら、それは充電池ではなく時限爆弾でしょう。
というのも、リチウムイオンバッテリーを過充電するとかなりの確率で燃焼・爆発するからです。
過充電以外にも、充電されてエネルギー満タンの状態でショートさせたり、異常放電や異常充電、過加熱などを行うと燃えたり爆発したりします。
他の電池でも想定されていない使い方をすると異常な現象が起こるものですが、リチウムイオンバッテリーほど燃えやすく爆発しやすい電池は普通の人が使う電池の中には存在しないでしょう。
「おいおい、とんでもない電池だな」
と思うかもしれませんが、まともなリチウムイオンバッテリーには電池そのものに充電制御機構が組み込まれており、絶対にそう言った異常事態が起こらないようになっています。
制御機構には様々なものがあります。過充電や異常充電を防ぐ機能だけでも、
- 満充電になったら充電を停止する
- 満充電付近で充電速度を緩める
- 電圧や電流を制御して、常に一定になるようにする
のように、数多くの制御装置が組み込まれているのです。
また、他の充電池にも言えることですが、過放電を行うと充電ができなくなってしまうため、一定以上放電を行って容量が少なくなると勝手に放電を中止して過放電を防ぐ機構も備わっています。
ただし、これらの制御装置には高度な技術が用いられているため、必然的に電池は高価なものとなります。そのため、制御装置を簡略化した粗悪なリチウムイオンバッテリーなどが出まわるようになり、爆発事故に繋がってしまっています。
国内のメーカーで粗悪なバッテリーを作っているところはありませんが、ラジコンなどに使われているリチウムイオンバッテリーでは制御装置がついていないため、これを普通に充電すると非常に危険です。通常は、制御装置が組み込まれた「専用の高性能充電器」を使って充電する様になっています。
つまり、電池の内部に制御装置が組み込まれていなければ、制御装置が組み込まれた充電器を使うことで安全に使用することが出来るということなのですね。
リチウムイオンバッテリーの特徴まとめ
リチウムイオンバッテリーの特徴をまとめると、以下のようになります。
- 軽量で軽く、携帯性に優れる
- 高出力で大容量、様々な用途に使える
- メモリー効果や自然放電が少ない
- 頻繁に充電を繰り返す場合に最適
- 過充電により燃料・爆発のリスクがある
- 充電には充電を制御する装置が必須
要は、とても便利で高性能な電池だけど、使い方を誤ると非常に危ない。ということです。
だからといって、リチウムイオンバッテリーを使っていない端末を探しまわる必要はありません。基本的には、マニュアル通りに使っていれば何の問題もないのです。
ただし、粗悪な製品には気をつけて下さい。純正を装った海賊版バッテリーなどが一部で出回っており、そう言ったバッテリーを使ってしまうと、普通に使っていても大きな事故に繋がる可能性があります。
バッテリーに限ったことではありませんが、車の燃料も、電気のコンセントも、バッテリーも、「エネルギーを供給する」装置は、そのエネルギーの使い方を謝れば事故につながる危険性を孕んでいます。
原子力発電所ではありませんが、エネルギーと言うのは人の生活を豊かにする力を持っているだけではなく、人の生活を破壊する力も持っているのですね。