バッテリ
私たちの生活を変えるリチウムイオン電池
第2回 リチウムイオン電池のメリットや充電時の注意点とは？スマホから自動車まで、さまざまなシーンで活用される理由を解説
電池の性能向上に30年以上携わってきた東京工業大学特命教授の菅野了次氏の監修の下、リチウムイオン電池とはなにかから始まり、次世代のリチウムイオン電池と呼ばれる全固体電池の研究状況についてまで解説する本企画。第2回では、リチウムイオン電池が持つメリットや、生活の中のどのようなシーンで使用されているのかにフォーカスするだけでなく、どのように使用すれば長持ちするのかなどについて解説していきます。
監修者：菅野了次（かんのりょうじ）
東京工業大学 科学技術創成研究院 特命教授（名誉教授）
1980年、大阪大学大学院理学研究科無機及び物理化学専攻課程修了。1985年、理学博士となる。神戸大学理学部助教授を経て、2001年、東京工業大学大学院総合理工学研究科教授。2016年、同物質理工学院教授。2018年、同科学技術創成研究院教授、全固体電池研究ユニットリーダー。2021年、同科学技術創成研究院特命教授、全固体電池研究センター長となる。
INDEX
2. 私たちの生活の中でリチウムイオン電池はどのような用途で使われている？
1. リチウムイオン電池を使用するメリットとは？
リチウムイオン電池には鉛蓄電池など他の電池と比べて、安全面や機能面で優れている点が多くあります。主なメリットとして以下のようなものが挙げられます。
リチウムイオン電池は他の電池よりも小さくて、パワフル
リチウムイオン電池のように充電して繰り返し使える二次電池には、鉛蓄電池以外にもニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などがあります。そうした電池と比べた場合にもっとも分かりやすいリチウムイオン電池のメリットは、小さくて軽いのにパワフルであることです。
同じサイズでこれらの電池の特徴を比べてみると、鉛蓄電池は2.1V、ニッケル水素電池は1.2V、ニッケルカドミウム電池は1.25Vまでの電圧しか出せません。これに対して、リチウムイオン電池ならば3.2～3.7Vという高い電圧まで出せるのです。
リチウムイオン電池は充電・放電に繰り返しに強い
リチウムイオン電池は電気を作る時に他の二次電池のような化学反応を利用しません。なので、他の二次電池に比べて電極の劣化が少なく、充電や放電の繰り返しにも非常に強いです。
リチウムイオン電池は急速充電ができる
リチウムイオン電池には急速充電ができるという大きな特徴があります。ただ、充電を短時間に行う急速充電は、リチウムイオン電池以外の二次電池でも可能です。しかし、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池では充電の終了判定が難しかったため、実用化されませんでした。リチウムイオン電池では、充電器側で終了判定が可能になったので実用化されました。
リチウムイオン電池はワイヤレス充電に対応している
充電ケーブルを使わずに充電するワイヤレス充電も、急速充電と同じくリチウムイオン電池以外の二次電池でも可能です。ただ、ワイヤレス充電の技術が確立されたのは2007年と比較的新しい技術であるため、すでに普及が見込まれていたリチウムイオン電池で採用されることになりました。今後は電気自動車でも、駐車場に車を停めておくだけで充電できるシステムなどが研究されています。
リチウムイオン電池は自然放電（自己放電）に強い
電池には使わなくても自然に放電してしまう、「自己放電」という現象があります。例えば、1カ月以上乗らなかった自動車のエンジンを掛けようと思っても、電圧が低くてスターターを回せないことがあるでしょう。こうした、いわゆる「バッテリーが上がった」状態を引き起こす原因が、自己放電なのです。
自己放電は、放置しているだけでも少しずつ化学反応が進行することで起きます。したがって、他の二次電池で起きる電池反応とは少し違った反応を用いるリチウムイオン電池では、ほとんど自己放電は起きません。
ちなみに、リチウムイオン電池を搭載したスマートフォンやパソコンの場合、使っていないのに電池が減っていることがあります。その場合、完全に電源がオフになっているのではなく、画面が消えていてもすぐに起動できるように微量の電気を消費しているからです。
2. 私たちの生活の中でリチウムイオン電池はどのような用途で使われている？
私たちの身の回りには、電気を使って動く道具が数多くあります。リチウムイオン電池は小さくてパワフルというメリットを生かし、さまざまな機器に搭載されています。特にスマートフォンやパソコン、デジタルカメラなどが小型軽量化、長寿命化されたのも、リチウムイオン電池が採用されるようになったからです。
電気自動車は当初、ニッケル水素電池が搭載されていました。しかし、リチウムイオン電池が持つパワフルで自己放電が少ないといったメリットや、ニッケル水素電池のように「継ぎ足し充電ができない」という使い勝手の悪さがないため、リチウムイオン電池が採用されるようになりました。
その他にも、コードレスの掃除機やアイロンなどの小型の家電、電動自転車や電動バイクなどの乗り物や、家庭で太陽光発電などを活用して昼間に発電した電気を貯めておくという用途にも、リチウムイオン電池が使われています。
3. 産業分野ではリチウムイオン電池はどのような用途で使われている？
産業分野では、ロボットやドローンなどのように、コードレスで機械を動かすためにリチウムイオン電池が使われています。また、さまざまな場所に置かれているIoTセンサや、潜水艦やロケットなどといった特殊な乗り物など、リチウムイオン電池が活用されている産業分野は多岐にわたっています。
一方で、リチウムイオン電池にもエネルギー密度の限界があるため、より多くの電力が必要な場合には、利用が限定的になります。例えば、電気自動車ならば今のリチウムイオン電池でもモーターを駆動するエネルギー源として利用可能ですが、大型の飛行機をリチウムイオン電池のエネルギーで飛ばすにはまだ技術的に難しい状況です。ただ、リチウムイオン電池を使用した「空飛ぶ自動車」などといった新しい乗り物の開発も進められています。現状のリチウムイオン電池の性能を突き詰めていくだけでも、まだまだいろんな可能性が残されています。
4. リチウムイオン電池を使用した製品を充電する際のコツや注意点は？
リチウムイオン電池が他の電池と異なる特徴を持つように、使用する際にはその特徴を理解しながら活用した方が長持ちします。充電する際のポイントや特徴をよく理解してパフォーマンスを維持できるようにしましょう。
リチウムイオン電池は継ぎ足し充電をして大丈夫
リチウムイオン電池の特徴として、使い勝手の良さも挙げられます。例えば、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池の場合、容量が残っているのに途中から継ぎ足し充電をしてしまうと、その容量以上に充電されていないように見えてしまうことがあります。これは「メモリー効果」と呼ばれますが、リチウムイオン電池では基本的に起こることはありません。
ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池ではメモリー効果を防ぐために、電気を全て使い切ってから充電する方法が推奨されています。これに対して、リチウムイオン電池は途中まで電気を使った状態でも継ぎ足して充電できるので、使い勝手が良い電池と言えるでしょう。
リチウムイオン電池を長持ちさせるには
スマートフォンやノートパソコンなどリチウムイオン電池を使うデバイスでは、常に充電した状態で電池を使用しても電池の容量を超えて充電されないような回路が使用されています。したがって、電池に過度な負担がかかる心配はないのですが、リチウムイオン電池を長持ちさせたいのであれば、電源に繋いだまま50％くらいまで充電した状態で使い続けることです。ノートパソコンによっては、50％以上は充電されないように設定できる機種もあります。
リチウムイオン電池は過充電と過放電での使用は避ける
逆に、リチウムイオン電池にとって避けておきたいのは、100％の充電状態を維持しながら機器を使用することです。満充電の状態で電源に繋いだままノートパソコンを使用し続けると、電池の寿命を早めてしまいます。
一方で、電気をほとんど使い切った過放電の状態で放置しておくことも、リチウムイオン電池の寿命を早める原因になります。すなわち、過充電や過放電という限界状態での使用を避けるということで、これは人間でも満腹の状態や空腹の状態で運動をすることが身体に負担をかけることと似ていますね。
リチウムイオン電池は常温での使用を意識する
リチウムイオン電池のパフォーマンスを安定して発揮させるためには常温での使用が望ましいです。冷やすと長持ちするという噂を聞いたことがあるかもしれませんが、低温下では電池の抵抗値が増えてしまい、充放電に対する負荷が上がってしまうので逆効果です。また、冷やすことで電池が結露してしまい、電池の周りにある回路がショートしてしまう可能性もあります。
リチウムイオン電池にはさまざまなメリットがありますが、そのメリットが生かされるような使い方を意識することで長く良いパフォーマンスで使うことができると言えます。
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