【自動車用語辞典:電動部品「リチウムイオン電池」】軽量で高性能。電動車のほとんどが採用する2次電池

■正極にリチウム系材料、負極にカーボン系材量を用いる

●EV普及にはさらなるコストダウンが必要

電動車にとって、車載2次電池はもっとも重要な部品のひとつです。電気エネルギーを供給する放電や、逆に得られたエネルギーを電気として充電する役目を担っています。

現在HEVやPHEV、EVなど電動車で標準的に使われているリチウムイオン電池について、解説していきます。

●2次電池とは

自動車用の電池は、正極と負極で別々に起こる酸化・還元反応を利用した化学電池で、充電による蓄電ができる2次電池です。
充電することによって電気エネルギーを化学エネルギーの形で蓄え、放電時には化学エネルギーを再度電気エネルギーに変換して、充放電を繰り返すことができます。

ニッケル水素電池の項でも説明しましたが、電池の能力を示す指標には、次のようなものがあります。

・バッテリ容量 (Ah)
蓄電可能なエネルギーで、一定の電流値で何時間放電できるかの指標です。例えば、容量10Ahとは、10Aの放電を1時間持続できる電気エネルギーを示しています。

・充電率 (%)
満充電100%に対する充電量の割合を、充電率SOC(State of Charge)として表します。

・エネルギー密度 (Wh/kg)
電池重量あたりの蓄電可能なエネルギーです。EVでは、満充電時の航続距離に関係します。

・出力密度 (W/kg)
電池重量あたりの瞬時に入出力できる電力です。瞬発力、加速性能を示すので、HEVで重視されます。

各種電池のエネルギー・出力密度
各種電池のエネルギー・出力密度

●リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は、軽量で高性能(エネルギー密度がニッケル水素電池の約2倍)なので、HEVやPHEV、EVのほとんどが採用しています。

正極にリチウム系材料、負極にカーボン系材料、電解質としてリチウムイオンを含む電解質を用います。正極と負極の間をリチウムイオンが移動することによって、充電や放電を行います。

リチウムイオン電池にもさまざまな種類があり、正極や負極、電解質の材料の組み合わせは、メーカーによって異なります。一般的には、正極は三元系(マンガン、コバルト、ニッケル)のリチウム材料、負極にカーボン系材料、電解質としてリチウムイオンを含む電解質を用います。

過充電と過放電に弱いため、高精度の制御や保護回路が必要です。特に過充電では、短絡によって発火や破裂の危険があります。

過去に航空機や車両の発火事故、最近でも携帯の発火事故が大きな問題になりました。

●リチウムイオン電池の充放電原理

充放電の原理を、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素、電解質に有機電解液を使用した場合を例に示します。

放電) 6C + LiCoO2 → LinC6 + Li(1-X)CoO2  

充電) 6C + LiCoO2 ← LinC6 + Li(1-X)CoO2

放電時にはイオン化したリチウムイオンが負極から正極へ、充電時にはリチウムイオンが正極から負極へ移動して、充放電を繰り返します。

リチウムイオン電池の作動原理
リチウムイオン電池の作動原理

●今後の開発動向

リチウムイオン電池は、まだ開発途上であり、新材料の採用によって容量の向上は可能と言われています。2030年頃には構成材料の進化によって、現状の重量エネルギー密度で2~3倍程度は向上できると予想されています。

一方で、トヨタなどは全固体電池の開発に注力しています。

全固体電池は、正極と負極間に電解液を使わず、一種のセパレータだけで構成される画期的な電池です。エネルギー密度の大幅な向上や安全性の向上、急速充電の実現などのメリットがあり、EVの普及を大きく加速することが期待されています。


EVの課題のひとつは、リチウムイオン電池のコストです。電池パックコストは2010年の11万円/kWh程度から、2016年には約3万円/kWhに、この6年間で1/4まで低下しました。

NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の2025年の目標は1.5万円/kWhですから、EV普及のためには、さらなる低減が必要です。

(Mr.ソラン)

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