リチウムイオン電池とは

1 リチウムイオン電池とは何ですか？

バッテリーは、電気機器に電力を供給するための外部接続を備えた 1 つ以上の電気化学セルで構成される電力源です。 リチウムイオンまたはリチウムイオン電池は、リチウムイオンの可逆還元を利用してエネルギーを蓄える充電式電池の一種で、エネルギー密度が高いことで有名です。

2 リチウムイオン電池の構造

一般に、ほとんどの市販のリチウムイオン電池は活物質として層間化合物を使用しています。 これらは通常、電池がエネルギーを貯蔵および放出できるようにする電気化学プロセスを促進するために特定の順序で配置された材料のいくつかの層（アノード、カソード、電解質、セパレータ、集電体）で構成されています。

アノードとは何ですか？

バッテリーの構成要素として、アノードはバッテリーの容量、性能、耐久性に重要な役割を果たします。 充電時、グラファイトアノードはリチウムイオンを受け入れて蓄える役割を果たします。 バッテリーが放電すると、リチウムイオンがアノードからカソードに移動し、電流が発生します。 一般に、最も一般的に商業的に使用されているアノードはグラファイトであり、LiC6 の完全にリチウム化された状態では、最大容量は 1339 C/g (372 mAh/g) に相当します。 しかし、技術の発展に伴い、リチウムイオン電池のエネルギー密度を向上させるためにシリコンなどの新素材が研究されています。

カソードとは何ですか?

カソードは、電流サイクル中に正に帯電したリチウムイオンを受け入れて放出するように機能します。 通常、層状酸化物（コバルト酸化リチウムなど）、ポリアニオン（リン酸鉄リチウムなど）、またはスピネル（酸化マンガンリチウムなど）を集電体（通常はアルミニウム製）上にコーティングした層構造で構成されています。 

電解質とは何ですか？

有機溶媒中のリチウム塩として、電解質は充電および放電中にリチウムイオンがアノードとカソードの間を移動するための媒体として機能します。

セパレータとは何ですか?

非導電性材料の薄い膜または層として、セパレータは、この層がリチウムイオンを透過しますが、電子を透過しないため、アノード（負極）とカソード（正極）の短絡を防ぐ働きをします。 また、充電および放電中に電極間のイオンの安定した流れを確保することもできます。 したがって、バッテリーは安定した電圧を維持し、過熱、燃焼、爆発のリスクを軽減できます。

集電体とは何ですか?

集電装置は、バッテリーの電極によって生成された電流を収集し、それを外部回路に輸送するように設計されており、これはバッテリーの最適な性能と寿命を確保するために重要です。 そして通常は、アルミニウムまたは銅の薄いシートで作られています。

3 リチウムイオン電池の開発の歴史

充電式リチウムイオン電池の研究は 1960 年代にまで遡り、最も初期の例の 1 つは、NASA によって開発された CuF2/Li 電池です。 1965 そして 1970 年代に石油危機が世界を襲い、研究者たちは代替エネルギー源に注目しました。その結果、リチウムイオン電池の軽量さと高エネルギー密度のおかげで、現代のリチウムイオン電池の初期の形態を生み出す画期的な進歩が起こりました。 同時に、エクソンのスタンリー・ウィッティンガム氏は、リチウムイオンをTiS2などの材料に挿入して充電式バッテリーを作成できることを発見しました。 

そこで彼はこの電池を商品化しようとしたが、コストが高いこととセル内に金属リチウムが含まれていたために失敗した。 1980 年に、新しい材料がより高い電圧を提供し、空気中でより安定していることが判明し、後に最初の商用リチウムイオン電池に使用されることになりましたが、それ自体では引火性という永続的な問題を解決することはできませんでした。同年、ラシッド・ヤザミはリチウムグラファイト電極（アノード）を発明しました。 そして 1991 年に世界初の充電式リチウムイオン電池が市場に投入され始めました。 2000 年代には、ポータブル電子機器の普及に伴いリチウムイオン電池の需要が増加し、リチウムイオン電池の安全性と耐久性が向上しました。 2010年代に電気自動車が登場し、リチウムイオン電池の新たな市場が形成された 

シリコン負極や固体電解質などの新しい製造プロセスや材料の開発により、リチウムイオン電池の性能と安全性が向上し続けました。 現在、リチウムイオン電池は私たちの生活に欠かせないものとなっており、その性能、効率、安全性を向上させるために新材料や新技術の研究開発が進められています。

4.リチウムイオン電池の種類

リチウムイオン電池にはさまざまな形状やサイズがあり、すべてが同じように作られているわけではありません。 リチウムイオン電池には通常5種類あります。

l コバルト酸化リチウム

コバルト酸リチウム電池は炭酸リチウムとコバルトから製造され、コバルト酸リチウムまたはコバルトリチウムイオン電池とも呼ばれます。 これらは酸化コバルトのカソードとグラファイトカーボンのアノードを備えており、放電中にリチウムイオンがアノードからカソードに移動し、バッテリーが充電されると流れが逆転します。 アプリケーションとしては、比エネルギーが高く、自己放電率が低く、動作電圧が高く、温度範囲が広いため、ポータブル電子機器、電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵システムに使用されています。ただし、関連する安全上の懸念に注意してください。熱暴走や高温での不安定性の可能性があります。

l マンガン酸化リチウム

リチウムマンガン酸化物 (LiMn2O4) は、リチウムイオン電池で一般的に使用される正極材料です。この種の電池の技術は 1980 年代に初めて発見され、1983 年に Materials Research Bulletin に初めて発表されました。 LiMn2O4 の利点の 1 つは、優れた熱安定性を備えていることです。つまり、熱暴走が発生する可能性が低く、他の種類のリチウムイオン電池よりも安全でもあります。 さらに、マンガンは豊富で広く入手できるため、コバルトなどの資源が限られている正極材料と比較して、より持続可能な選択肢となります。 その結果、医療機器や医療機器、電動工具、電動バイク、その他の用途で頻繁に使用されています。 その利点にもかかわらず、LiMn2O4 は LiCoO2 に比べてサイクル安定性が劣るため、より頻繁な交換が必要になる可能性があるため、長期のエネルギー貯蔵システムにはあまり適していない可能性があります。

l リン酸鉄リチウム (LFP)

リン酸塩は、リン酸鉄リチウム電池 (通常、リン酸リチウム電池として知られています) の正極として使用されます。 抵抗が低いため、熱安定性と安全性が向上します。 また、耐久性と長いライフサイクルでも有名であり、他のタイプのリチウムイオン電池に比べて最もコスト効率の高い選択肢となっています。 そのため、これらのバッテリーは電動自転車や、長いライフサイクルと高い安全性を必要とするその他の用途で頻繁に使用されています。 しかし、その欠点により、迅速な開発が困難になります。 まず、他の種類のリチウムイオン電池と比較して、希少で高価な原材料を使用しているため、価格が高くなります。 さらに、リン酸鉄リチウム電池は動作電圧が低いため、より高い電圧を必要とする一部の用途には適さない可能性があります。 充電時間が長いため、急速充電が必要なアプリケーションでは不利になります。

l リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物 (NMC)

リチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物電池は、NMC 電池としてよく知られており、リチウムイオン電池に汎用されているさまざまな材料で構成されています。 ニッケル、マンガン、コバルトの混合物で構成されたカソードが付属 その高いエネルギー密度、優れたサイクル性能、長寿命により、電気自動車、グリッドストレージシステム、その他の高性能アプリケーションでの第一の選択肢となり、電気自動車と再生可能エネルギーシステムの人気の高まりにさらに貢献しています。 容量を増やすために、新しい電解質と添加剤が使用され、4.4V/セル以上まで充電できるようになりました。 システムはコスト効率が高く、優れたパフォーマンスを提供するため、NMC ブレンド リチウムイオンを採用する傾向があります。 ニッケル、マンガン、コバルトは 3 つの活物質であり、頻繁なサイクルを必要とする幅広い自動車およびエネルギー貯蔵システム (EES) 用途に合わせて簡単に組み合わせることができます。

 NMC ファミリーがより多様化していることがわかります。

しかし、熱暴走、火災の危険、環境への懸念などの副作用がさらなる開発を妨げる可能性があります。

l チタン酸リチウム

チタン酸リチウムは、チタン酸リチウムとしても知られており、用途が増加している電池の一種です。 優れたナノテクノロジーにより、安定した電圧を維持しながら急速に充電および放電できるため、電気自動車、商用および産業用エネルギー貯蔵システム、グリッドレベルの貯蔵などの高出力アプリケーションに最適です。 これらの電池は、その安全性と信頼性とともに、風力や太陽エネルギーの貯蔵やスマートグリッドの構築だけでなく、軍事や航空宇宙用途にも使用できる可能性があります。 さらに、Battery Space によると、これらのバッテリーは電力システムのシステムクリティカルなバックアップに使用できる可能性があります。 それにもかかわらず、チタン酸リチウム電池は、製造に必要な複雑な製造プロセスにより、従来のリチウムイオン電池よりも高価になる傾向があります。

5.リチウムイオン電池の開発動向

再生可能エネルギー設備の世界的な増加により、断続的なエネルギー生産が増加し、不均衡な電力網が生じています。 これにより、電池の需要が生じています。その一方で、炭素排出ゼロへの注目と、発電用の化石燃料、つまり石炭からの脱却の必要性により、太陽光発電や風力発電の設置を奨励する政府が増えています。 これらの設備は、生成された余剰電力を蓄える蓄電池システムに役立ちます。 したがって、リチウムイオン電池の設置を奨励する政府の奨励金もリチウムイオン電池の開発を促進します。 たとえば、世界の NMC リチウムイオン電池市場規模は、2022 年の 100 万米ドルから 2029 年の 100 万米ドルに成長すると予測されています。 2023 年から % の CAGR で成長すると予想されます。 2029  また、高負荷を必要とするアプリケーションのニーズの増加により、3000～10000個のリチウムイオン電池が予測期間（2022～2030年）中に最も急速に成長すると予測されています。

6 リチウムイオン電池の投資分析

リチウムイオン電池市場業界は、2022年の511億6,000万米ドルから2030年までに1,181億5,000万米ドルに成長すると予測されており、予測期間(2022年から2030年)中に年平均成長率4.72%を示しますが、これはいくつかの要因に依存します。

l エンドユーザー分析

公益事業部門の設備は、バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) の主要な推進力です。 このセグメントは、2021 年の 22 億 5000 万ドルから 2030 年には 59 億 9 千万ドルまで CAGR 11.5% で成長すると予想されています。  リチウムイオン電池は、成長ベースが低いため、34.4% と高い CAGR を示します。 住宅および商業用エネルギー貯蔵セグメントも、2021 年の 16 億 8000 万ドルから 2030 年には 55 億 1000 万ドルという大きな市場潜在力を持つ分野です。 産業部門は二酸化炭素排出量ゼロに向けた取り組みを続けており、企業は今後 20 年間でネットゼロ排出を約束しています。 通信会社とデータセンター会社は再生可能エネルギー電源への注目を高め、二酸化炭素排出量削減の最前線に立っている これらすべてが、  企業は、信頼性の高いバックアップとグリッド バランシングを確保する方法を模索する中で、リチウム イオン バッテリーを活用しています。

l 製品タイプの分析

コバルトの価格が高いため、コバルトフリー電池はリチウムイオン電池の開発トレンドの1つとなっています。 高い理論エネルギー密度を有する高電圧 LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) は、さらに最も有望な Co フリー正極材料の 1 つです。 さらに、実験結果は、半固体電解質を使用することにより、LNMO 電池のサイクル性能と C レート性能が向上することを証明しました。 これは、アニオン性 COF がクーロン相互作用を通じて Mn3+/Mn2+ および Ni2+ を強力に吸収し、アノードへの破壊的な移動を抑制できると考えられます。 したがって、この研究は LNMO 正極材料の商業化に有益となるでしょう。

l 地域分析

アジア太平洋地域は、電力会社や産業が牽引し、2030年までに最大の定置型リチウムイオン電池市場になるだろう。 2030年には70億7000万ドルの市場となり、北米とヨーロッパを追い越し、2021年の12億4000万ドルから21.3%のCAGRで成長すると予想されています。 北米とヨーロッパは、今後 20 年間で経済と送電網を脱炭素化するという目標を掲げているため、次に大きな市場となるでしょう。 中南米はその規模が小さくベースが低いため、CAGR 21.4% で最も高い成長率が見込まれます。

7 高品質のリチウムイオン電池を購入するために考慮すべきこと

光ソーラーインバーターを購入するときは、価格と品質だけでなく、他の要素も考慮する必要があります。

l エネルギー密度

エネルギー密度は、単位体積あたりに蓄積されるエネルギー量です。 より軽い重量とサイズでより高いエネルギー密度が得られ、充電サイクル間のエネルギーがより広範囲に渡ります。

l  安全性

リチウムイオン電池は充放電中に爆発や火災が発生する可能性があるため、安全性も重要な点であり、温度センサーや禁止物質などの安全機構が強化された電池を選ぶ必要があります。

l タイプ

リチウムイオン電池業界の最新トレンドの 1 つは全固体電池の開発であり、これにより、より高いエネルギー密度やより長いライフサイクルなどのさまざまな利点が得られます。 たとえば、電気自動車に全固体電池を使用すると、航続可能距離と安全性が大幅に向上します。

l 充電速度

充電速度は、バッテリーがどれだけ速く安全に充電されるかによって決まります。 場合によっては、バッテリーが使用できるようになるまでに充電に時間がかかることがあります。

l 寿命

 バッテリーは一生稼働するわけではありませんが、有効期限があります。 購入する前に有効期限を確認してください。 リチウムイオン電池はその化学的特性により本質的に長寿命ですが、各電池は種類、仕様、製造方法によって異なります。 高品質のバッテリーは内部に上質な素材を使用しているため、長持ちします。