Endo Laboratory

リチウムイオン二次電池

　近年、電子機器は小型・軽量・高性秤ｻが著しく進展し、セルラー、ノートパャRン等の携帯機器が急拡大している。これには電子デバイスならびに搭載される二次電池の高性秤ｻが大きく寄与している。
　最近のエレクトロニクス市場で求められる二次電池は、エネルギー密度(Wh/l, Wh/kg)が大きく、機器全体の小型、軽量化に寄与できることである。二次電池には従来からの鉛電池やNi-Cd電池に加え、Ni-MH電池、Liイオン電池が新たに参画し、技術革新が進んでいる。特にリチウムイオン二次電池は他の二次電池と比べて携帯電子機器用として次のような特長を有している。


  1. エネルギー密度が高い (Ni-Cd電池の約1.5倍(Wh/l)、あるいは2倍(Wh/kg)) ※Figure.1参照
  2. 高電圧(3.6V)動作（Ni-Cd電池やNi-MH電池の約3倍)
  3. サイクル寿命が長い
  4. ニッカド蓄電池などにみられるメモリー効果がない（ リチウムイオン電池は使用途中での再充電が可能
  5. 電解液と電極の間で化学反応をおこさないため、電子の損失が少なく自己放電が少ない（10%/月以下）
  6. 放電特性が緩やかで連続的に変化するので残量の検出が簡単となり、パソコン等で正確な残量表示が可能

Figure 1 Energy Density of Secondary Battery

　リチウム金属を負極に用いる二次電池は1980年代に最初に製品化されたが、現在では正極にリチウム含有金属酸化物(LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2)、負極には炭素・グラファイト材料が用いられている。
　初期に負極に用いられたリチウム金属に代わって炭素材料が採用され、そこでは炭素六角網平面間にリチウムイオンを取り込んだ黒鉛層間化合物(Li-GIC)の形態でリチウムを貯蔵し、当初に問題となったリチウム金属のデンドライト（樹枝状析出物）が発生せず安全性を著しく高めることが可狽ﾆなった。
　また、Li-GICの最大理論容量372mAh/g（組成式LiC6;第１ステージ）をはるかに超える高容量のリチウムを貯蔵可狽ﾈ炭素体も見出され、電池の小型軽量化、高容量化がさらに進もうとしている。

Figure 2 Model of Lithium Ion Secondary Battery

電極のSEM画像

Figure 3 電極のSEM画像

現段階の問題点

  1. 現在のリチウムイオン二次電池を更に長時間使用するためには高容量化が不可欠
  2. リチウム及び有機電解液を用いているため、電源単体としての安全性の確保
  3. 電池単体での急速充放電、または、急速充放電可狽ﾈデバイスとのハイブリッド化