リチウムイオン二次電池
1997年、山邊時雄は、難黒鉛化炭素材料を負極に用いたリチウムイオン二次電池の開発に関する基礎的研究を世界に先駆けて行った業績に対して、日本化学賞を受賞している
リチウムイオン二次電池を発明した業績が評価され、2014年には、ジョン・グッドイナフ、西美緒、ラシド・ヤザミ(英語版)、吉野彰の4名が「工学分野のノーベル賞」と呼ばれるチャールズ・スターク・ドレイパー賞を受賞し、2019年には、ジョン・グッドイナフ、スタンリー・ウィッティンガム、吉野彰の3名がノーベル化学賞を受賞した。
リチウムイオン二次電池(リチウムイオンにじでんち、英: lithium-ion battery)は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動することで充電や放電を行う二次電池(充電可能な電池)である。正極、負極、電解質それぞれの材料は用途やメーカーによって様々であるが、代表的な構成は、正極にリチウム遷移金属複合酸化物、負極に炭素材料、電解質に有機溶媒などの非水電解質を用いる。単にリチウムイオン電池、リチウムイオンバッテリー、Li-ion電池、LIB、LiBとも言う。リチウムイオン二次電池という命名はソニー・エナジー・テックの戸澤奎三郎による。
なお、似た名前の電池には以下のようなものがある。
リチウム電池は、負極に金属リチウムを使う一次電池。リチウムイオンが電気伝導を担う点はリチウムイオン電池と同じだが、リチウム金属そのものの溶解・析出反応であり、黒鉛を使う場合のように黒鉛の層状構造の間にリチウムイオンが出入りするインターカレーションによるリチウムイオン電池とは異なる。金属リチウムの二次電池への応用は全固体電池における研究が進んでいる。
リチウムポリマー電池(LiPo電池)は、リチウムイオン電池の一種で、電解質にゲル状のポリマー(高分子)を使う二次電池。
リン酸鉄リチウムイオン電池(LiFe電池)は、リチウムイオン電池の一種で、正極材料にリン酸鉄リチウム(英語版)を使う二次電池。
識別色は■青(シアン)。
円筒型リチウムイオン二次電池の規格(サイズ)は、直径(mm単位で2桁)+ 長さ(0.1 mm単位で3桁)の計5桁の数字で表される。2013年時点、市場に流通している円筒型電池の規格としては、26650/18650/17670/18500/18350/17500/16340/14500/10440のものが存在している。なお、14500はいわゆる単三型乾電池に10440では単四型乾電池に相当するサイズになる。
LiFePO4は元々正極材料がLiCoO2やマンガンスピネルよりも安全である。Fe-P-Oの結合はCo-O間の結合よりも強力である。その為短絡や過熱等でも酸素原子が離脱するのは困難である。この酸化還元エネルギーの安定性はイオンの移動を助ける。(800 °C以上の)加熱下において焼け落ちるだけでLiCoO2が同様の条件下において熱暴走する可能性があるのに対して結合の安定性はその危険性を減少させる。
リチウムがLiCoO2電池の正極からでる事でCoO2は非線形な膨張を受け構造の整合性に影響を与える。LiFePO4もリチウムの出入りによって同様に構造に影響があるがLiFePO4電池はLiCoO2電池より安定した構造である。
完全に充電された時はLiFePO4電池は正極にリチウムがないがLiCoO2電池の場合はおよそ50%正極に残る。
2012年、リン酸鉄リチウムイオン電池を採用した電気自動車、BYD・e6が交通事故を起こし炎上。炎上の原因にリチウムイオン電池が関与した可能性が、BYD幹部より示唆されている。
正極: LiCoO 2 ↽ − − ⇀ Li 1 − x CoO 2 + x Li + + xe − {\displaystyle {\ce {{LiCoO_{2}}<=>{Li}_{1-x}{CoO2}+{{\it {x}}Li^{+}}+{\it {{xe}^{-}}}}}} 負極: x Li + + xe − + 6 C ↽ − − ⇀ Li x C 6 {\displaystyle {\ce {{{\it {x}}Li^{+}}+{\it {{xe}^{-}}}+6C<=>Li_{\it {x}}C6}}}
全体的な反応は限界がある。過放電によりリチウムコバルト酸化物が過飽和して酸化リチウムの生成に至る。以下の反応が認められる。
Li + + LiCoO 2 ⟶ Li 2 O + CoO {\displaystyle {\ce {{Li^{+}}+LiCoO2->{Li2O}+CoO}}}
5.2 V以上に過充電することによってコバルト (IV) 酸化物が生成することがX線解析で確認される。
LiCoO 2 ⟶ Li + + CoO 2 {\displaystyle {\ce {LiCoO2->{Li^{+}}+CoO2}}}
リチウムイオン電池内においてリチウムイオンは負極や正極へ運ばれて金属やLixCoO2内のコバルトは充電によってCoからCoへ酸化され放電によってCoからCoへ還元される。なお、当電池を含む二次電池一般では充電中に正極でアノード反応(酸化反応)が進むが、放電中(作動中)を基準と考え、正極をカソード(Cathode)、負極をアノード(Anode)と固定して呼ぶことが多い。