リチウムイオン二次電池
現在全固体電池が有望な次世代二次電池として世界中で研究開発が行われている。特徴は従来の液体電解質が固体電解質に置き換わっており、この固体電解質がリチウムイオンのみを通す理想的なシングルイオン導電体として機能する為、簡易な構造と優れた信頼性を発揮する。また不燃性の無機物である固体電解質は耐熱性が高く電気化学的安定性も高いため、電極材料に高エネルギー密度の金属リチウムを負極に、酸化物・硫化物を正極に使うことが可能となり、高容量・高出力・広い作動温度範囲・高速充電・長寿命・低コスト化が全て実現できるメリットを有する。近年、全固体電池の課題であった無機系固体電解質のイオン伝導性の改善が相次いで報告されており、各企業が生産体制構築に向け巨額の投資を行っている。また一部のスタートアップ企業では試験的な量産ラインが稼働している。
電動工具や電気自動車、エアソフトガン、ラジコン等に使用される。
常用領域と危険領域が非常に接近していて、安全性確保のために充放電を監視する保護回路がなくてはならない。これは、充電時に電圧が上昇する際に、正極および負極が極めて強い酸化状態・還元状態に置かれ、他の低電圧の電池に比べて材料が不安定化しやすいためである。
急速あるいは過度に充電すると、正極側では電解液の酸化や結晶構造の破壊により発熱し、負極側では金属リチウムが析出する。これにより両極が直接繋がり、回路がショートしてしまう。電池を急激に劣化させるだけでなく、最悪の場合は破裂・発火する(リチウムを含めたアルカリ金属は空気中の酸素および水と触れることにより自然発火する特性を持つため)。したがって、充電においては数十mVを制御するほどの極めて高い精度で電圧を制御する必要がある。
過放電では、正極のコバルトが溶出したり、負極の集電体の銅が溶出したりして、二次電池として機能しなくなる。
充電/放電効率が良い 放電で得られた電気量と充電に要した電気量の比(充電/放電効率)は、80%-90% と比較的電気ロスが小さいため、電力貯蔵用途にも適している。
寿命が長い 500回以上の充放電サイクルに耐え、長期間使用することができる。適切に使えば1000回以上も可能。ただし近年は「500回」という数値は形骸化している。高容量化および出力電流が増加した現在では日本工業規格(JIS)のサイクルテストを受けると低い数値が出てしまうため、JISを受けず自称値を記載する製品が多い。
高速充電が可能 最近では 3C 充電が可能な製品も登場している(一般的なタイプでは 1C 程度)。
大電流放電が可能 大電流放電に適さないと考えられていたが、改良により克服してきている。産業用の大型のものでは数百Aの大電流で放電できる製品も登場している。
使用温度範囲が広い 一般的なタイプでは -20-60°C という幅広い温度帯で使用可能(充電時は 0-45°C)。乾電池のように電解液に水溶液を使用しないため氷点下の環境でも使用できる。保証温度内では温度が上がるほどに容量が上がるが、高温放置をすると劣化が起こり、低い温度では著しく放電能力が落ちる。
汎用性が高い 全体的な性能のバランスが良い(欠点が少ない)ため携帯電話から自動車まで様々な用途に利用できる。容量や充電速度などどれか一つの性能だけならリチウムイオン電池よりも良い二次電池が研究報告されているが、他の性能も併せて良くなければここまで汎用的には普及しない。
ハードカーボンを使うものは1000回を超すサイクル特性を持つなど優れた点があるものの、そのままでは均一な電圧が得られないため、低電圧領域ではDC-DCコンバーターなどで昇圧する必要がある。そのため周辺回路が高価となってしまい、現在ではハードカーボン系の電池は一部の機器だけに用いられているのみとなっている。また、グラファイト、ハードカーボンに代わる次世代の材料として、スズ、ケイ素材料が実用化され始めている。これらはリチウムとの合金化反応により、グラファイトの数倍から数十倍の容量を示すことが知られていたが、体積変化が激しく寿命を延ばすことが困難であった。現在は炭素材料などとの複合化により容量と寿命を両立している。
東芝は、負極材料に炭素系材料ではなく酸化物系材料としてチタン酸リチウム(LTO)を採用したリチウムイオン二次電池「SCiB」を開発しており、これは安全性が高く、低温特性に優れ、約6,000回以上の充放電サイクルが可能であるとされる。