リチウムイオン二次電池
1980年代、携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器の開発により、高容量で小型軽量な二次電池(充電可能な電池)のニーズが高まった。従来のニッケル水素電池などには容量重量比に限界があり、新型二次電池が切望されていた。
1976年、エクソンのスタンリー・ウィッティンガムは、正極に二硫化チタン(英語版)、負極に金属リチウムを使う二次電池を開発・提案した。この電池は、特に負極側で安全性に問題(充電時のデンドライト問題、金属リチウムの反応性の問題)があり実用化はされなかったが、二硫化チタンは層状の化合物で、リチウムイオンを分子レベルで収納できるスペースを持ち、リチウムイオンが繰り返し出入りしても形が壊れにくい特徴を持つ物質だった。この"層状化合物にイオンが出入りする"という現象は「インターカレーション」と呼ばれており、その優れた特性から、その後にインターカレーション型の電極が盛んに研究されるようになった。
1974 - 1976年、ミュンヘン工科大学のベーゼンハルトは黒鉛内のリチウムイオンの可逆的なインターカレーションと陰極の酸化物へのインターカレーションを発見した。1976年、ベーゼンハルトはリチウム電池での応用を提案した(ただし、黒鉛が層間にアルカリ金属などを取り込み黒鉛層間化合物(英語版)をつくることは1926年から知られていた)。
1978 - 1979年、ペンシルベニア大学のSamar Basuは、黒鉛内でのリチウムイオンの電気化学的インターカレーションを実証した。
この場合も、電池の異常発熱に繋がる。コバルト酸リチウムは可燃性が高く、一度燃え上がると電池に含まれる酸化剤に燃え移るため、手がつけにくい。
エネルギー密度が高いために、ショート時には急激に過熱する危険性が大きく、有機溶剤の電解液が揮発し、発火事故を起こす恐れがある。短絡は外力が加わることで電池内部で発生する場合もあり、衝撃に対する保護も必要である。高温になりすぎると熱暴走を経て、破裂・発火・爆発の危険性がある。
保存特性(保存状態での性能保持特性)はニッケル水素電池などより劣る。また、満充電状態で保存すると電池の劣化は急激に進行する。このため、他の蓄電池で一般的な充電方法であるトリクル充電はリチウムイオン電池には適していない。また高い発熱特性、制御回路と保護回路が必須、1セルあたりの電圧が高いなどの理由から、乾電池の代替用途には不向きであり普及していない。「ニッケル・水素充電池#概要」も参照。
リチウムイオン二次電池のコストは正極材料に使われる希少元素のコバルトがその7割を占めているが、近年、大幅な低コストを目指して正極材料にマンガン、ニッケル、リン酸鉄などを使うものが開発されつつある。ニッケルは希少元素だがコバルトより安く、マンガンは商業的にレアメタルとされているが厳密には希少元素ではない。
正極にコバルト酸リチウムを用いると、 正極自体がリチウムを含有するため、負極に金属リチウムを用いる必要がないので安全であること 4 V級の高い電位を持ち、そのため高容量が得られること
負極に炭素材料を用いると、 炭素材料がリチウムを吸蔵するため、金属リチウムは本質的に電池中に存在しないので安全であること リチウムの吸蔵量が多く高容量が得られること
また、特定の結晶構造を持つ炭素材料を見いだし、実用的な炭素負極を実現した。
加えて、アルミ箔を正極集電体に用いる技術、安全性を確保するための機能性セパレータなどの本質的な電池の構成要素に関する技術を確立し、さらに安全素子技術、保護回路・充放電技術、電極構造・電池構造等の技術を開発し、安全でかつ、電圧が金属リチウム二次電池に近い電池の実用化を成功させ、現在のLIBの構成をほぼ完成させた。
1986年、LIBのプロトタイプが試験生産され、アメリカ合衆国運輸省により「金属リチウム電池とは異なる」との認定を受け、プレマーケティングが開始された。
リン酸鉄リチウムイオン電池はリチウムイオン電池の一種である。正極材料にリン酸鉄リチウム(英語版)(LiFePO4)を使用する。LiFe、Li-Fe、リフェ、リチウムフェライトバッテリーなどと呼ばれる。
正極材料にコバルトを使用する形式よりも資源的な制約が少なく、安全域が広く釘差しなどでも発火しにくいなどの特徴をもち、他の正極材料を用いたリチウムイオン電池より比較的安全である事から近年シェアを拡大している。代表的なメーカーはA123Systems、Changs Ascending Enterprise Co.,Ltd.(CAEC)、China Sun Group、BYDである。リン酸鉄リチウムイオン電池では従来のリチウムイオン電池とは異なる特徴がある。競合するコバルト酸リチウムイオン電池と比較した場合、放電できる電流が少ないが、リン酸鉄リチウムの一部の元素を置換することによって放電できる電流を改善した事例もある。
リン酸鉄リチウムイオン電池は以下の特徴がある
単位体積あたりの蓄電容量がコバルト酸リチウムイオン電池よりも少ない。
多くのリン酸鉄リチウムイオン電池は鉛蓄電池やコバルト酸リチウムイオン電池よりも低い放電率である。リン酸鉄リチウムイオン電池はコバルト酸リチウムイオン電池よりも電圧が低くエネルギー密度が低いが、サイクル寿命に優れる。この欠点はコバルト酸リチウムイオン電池やLiMn2O4リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等よりも寿命が長く容量減少が緩やかであることにより相殺できる。
例: リン酸鉄リチウムイオン電池とコバルト酸リチウムイオン電池の1年後のエネルギー密度は、ほぼ同程度である。
リチウムイオン二次電池は金属リチウムを用いないため、リチウム二次電池よりは安全に充放電できる。しかし、リチウムイオン二次電池においても様々な危険性があり、これはエネルギー密度の高さの裏返しと言える。本質的な問題でもあるため、電池そのものにも周辺回路にも様々な安全対策が施されている。これらの安全対策は特許公報などにより知ることができる。
こうした対策にもかかわらず、実際、ノートパソコンや携帯電話において異常過熱や発火などがしばしば報告される。製造工程上の問題が疑われ、大規模な回収に繋がった例もある。具体的な事故例については「リチウムイオン二次電池の異常発熱問題」を参照のこと。
販売・使用時には前述および後述のような事故防止策がとられているが、リチウムイオン二次電池やそれを内蔵した製品が、地方自治体のごみ収集対象外であるにも関わらず、あるいは分別規定を守らずに他のごみに紛れて出され、ごみ収集車や清掃工場で発火するトラブルも起きており、自治体はルールの順守を呼びかけている。なお、不要となったリチウムイオン二次電池はJBRCのリサイクル協力店にて回収を行っている。
2020年、東芝は発火や破裂の恐れが少ない新型リチウムイオン電池を開発した。電極の間を満たす電解液に燃えない水溶液を使っているのが特徴である。