太陽光発電による電力をはじめとして、再生可能エネルギーに対する注目度は近年ますます高まっています。今後は、太陽光によって電力を作り出すというだけではなく、作った電気をいかにして貯蔵していくかという「蓄電」に関する対策も求められていくでしょう。こちらでは、蓄電システムの1つである定置用リチウムイオン蓄電池について、特徴や価格、安全性などを解説します。
リチウムイオンとは何？
“蓄電池の材料の1つであるリチウムイオン（Litihum ion）とは、そもそもどのようなものなのでしょうか。まずイオンというのは、プラスかマイナスどちらかの電気を帯びることとなった原子や、原子の集まりのことを言います。「プラスかマイナスどちらかの電気を帯びる」というのはつまり、電子が過剰にあるか、または足りないかのいずれかの状態にあるということです。そしてリチウム原子は、元素記号で「Li」と表記される原子です。原子番号は3番で、アルカリ金属類に属します。銀白色で非常に柔らかく、金属でありながらナイフなどでも簡単に切断ができます。
金属類の中では最も比重が軽いです。周囲との反応性も大変に高く、空気に触れただけでも、空気中の窒素と反応して窒素リチウムが生成されてしまいます。また、水とも容易に反応して燃焼します。こうした性質があるために、リチウムは単体では存在していません。もし、リチウムをそのままの状態で保管しようとするのであれば、油などの中に入れておくことが必要となります。さらにリチウムは、炎症性や腐食性も非常に強い金属であるために、取り扱いにも気を付けなければなりません。
リチウムイオンは、リチウム原子が電子を放出したために電子が足りなくなり、プラスの電荷を帯びることとなった陽イオンです。リチウムの原子が電子を放出してイオン化する現象を「酸化」と言い、逆に電子を獲得してリチウムへと戻ることを「還元反応」と言いますが、リチウムはこの酸化と還元が、全ての元素の中でも最も容易に行われ、イオン化しやすい物質であるとされています。酸化と還元を繰り返す時は、リチウムイオンが正極と負極を行き来している状態です。行き来の結果として正極と負極を結ぶ回路に電気が流れ、電池の充電や放電がされるというのが、リチウムイオン電池の仕組みです。”
リチウムイオン電池の特徴について
“リチウムイオン電池は正極と負極、電解質、そしてセパレータという構造から成っています。正極の材料として使われているのは、一般的にはリチウムの酸化物です。コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムやリン酸鉄リチウム、そしてコバルト酸リチウムの一部をニッケルとマンガンで置換したもの、などが該当します。負極の材料としては、炭素系の材料、特に黒鉛（グラファイト）が用いられることが通常です。しかし中には、チタン酸リチウムを負極として使用するリチウムイオン電池もあります。
電解質は有機溶媒にリチウム塩を加えたものです。有機溶媒の材料として、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどが使われています。そしてセパレータというのは、正極と負極の間を隔てて絶縁性を保つための部品です。厚さがおよそ25マイクロメートル、表面には1マイクロメートルよりも小さな穴が開けられている薄い膜で、ポリエチレンやポリプロピレンなどが主な材質として用いられています。リチウムイオン電池を充電すると、正極から負極へ電子が移動し、同時にリチウムイオンも負極へ移動して溜まります。これによって、正極と負極の間には電位差が生じることになります。
放電の時には、生じた電位差を解消するために、負極に溜まった電子が正極へと移動します。この移動によって、回路に電流が流れます。リチウムイオンも正極へと移動し、正極内部の電子と結合してリチウム酸化物へと還元されます。リチウムイオン電池はこのように、充電と放電の動きを繰り返しながら何度も使うことができるため、リチウムイオン二次電池とも呼ばれています。リチウムイオン電池は、全ての中でも最も効果的な電池とされているのですが、平成24年時点での価格を見ると、1kWhあたりのコストがおよそ20万円です。
ニッケル水素電池が1kWhあたり約10万円ですので、リチウムイオン電池が大変に高価であることが分かります。しかしその性能の良さから、今後の需要の増加が見込まれるため、量産化することによる価格の低下は期待できると言えそうです。”
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高い
“以下からは、リチウムイオン電池の特徴について解説していきます。まずは、リチウムイオン電池のエネルギーについてです。リチウムイオン電池のエネルギー密度は非常に高いことが明らかとなっています。同じ充電可能な電池の種類として、ニッカド電池やニッケル水素電池がありますが、これらとエネルギー密度を比べて見ると、18650型のリチウムイオン電池の重量エネルギー密度は201Wh/kgです。これは単一のニカド電池のおよそ5倍、ニッケル水素電池のおよそ3倍にあたります。さらに体積エネルギーで見ると、リチウムイオン電池は520Wh/Lで、ニカド電池の約5倍、ニッケル水素電池の約2.5倍となっています。
ちなみに、重量エネルギー密度、体積エネルギー密度というのはそれぞれ、単位重量と単位体積あたりの電池の容量のことです。この数値が大きいほど、小型であっても電池の容量が大きいということになります。”
リチウムイオン電池は電圧パワーが高い！
次に、リチウムイオン電池は電圧パワーが強いという特徴について解説します。ニカド電池やニッケル水素電池は、電圧がおよそ1.2Vです。しかしリチウムイオン電池は、そのおよそ3倍もの電圧を得られるという特徴があります。これは、直列接続して同じ位の電圧を出そうとすると、ニカド電池やニッケル水素電池の約3分の1の本数で済むということを意味します。
長寿命もメリットの一つ
“最後に、リチウムイオン電池は寿命が長いというメリットについても紹介しましょう。「充電を繰り返すうちに劣化する」、「使い切らないうちに充電すると電池に良くない」、充電池に関するこのような話を、耳にしたことがある人もいるかもしれません。しかしリチウムイオン電池に関しては、このような話はあまりあてはまりません。他の電池と比べて充電を繰り返すことによる悪影響が少なく、電池寿命が長いという特徴がリチウムイオン電池にはあります。
ニッカド電池やニッケル水素電池など、リチウムイオン電池以外の充電池が充放電を繰り返すうちに次第に劣化していくのは、電池に「メモリー効果」があるためです。「メモリー効果」というのは、電池を使い切らないうちに何度も充電を繰り返すことによって、電池の最大容量が小さく記録されてしまう現象です。実際の電池容量はもっとあるにも関わらず、使用時に放電時間が短くなります。メモリー効果は一時的であり、完全に放電することで解消されたり、しっかりとした充放電を繰り返すことで治ります。しかし過剰な充放電によって、電池の寿命を縮めてしまうこともあるのです。
リチウムイオン電池にはメモリー効果がありません。従って、使いたい時に使いたいだけ充電する、継ぎ足し充電が可能です。”
定置用リチウムイオン蓄電システムは出荷数が増加傾向
“これまでに解説してきたように、リチウムイオン電池には、高電圧・高容量でエネルギー密度が高く、寿命も長いなどのメリットがあります。そのために現在では、スマホや電気自動車搭載電池などにリチウムイオン電池が採用されています。さらに近年では、再生可能エネルギーに対する注目の高まりとも相まって、家庭用の蓄電池へも使用が増えています。2018年に日本電機工業会が、定置用リチウム蓄電システムの国内出荷実績を公表しました。定置用リチウム蓄電システムというのは、いわゆる太陽光発電システム用の蓄電池のことです。
この調査では、2017年度の定置用リチウム蓄電システムの出荷台数は、4万9481台という過去最高の台数を記録しています。前年比では43%もの増加です。また、公表されている数字は2011年からですが、出荷台数が急激に増え出したのは2012年ということも調査から明らかになります。2012年という年は、再生可能エネルギーの普及のために固定価格買取制度（通称FIT）が国によって始められた年でもあり、また、東日本大震災の翌年でもあります。災害や制度開始など諸々の理由によって、家庭での太陽光発電システムによる発電が急速に増加し、それにともなって家庭用蓄電池への需要も高まったということが推測される結果となっています。”
リチウムイオン電池の発熱発火事故原因について
“充電池と言うと、発火や発熱などの事故の危険性が気になるという人もいることでしょう。実際に、リチウムイオン電池が使われていたパソコンや航空機などにおいて、事故が発生したことが過去にはありました。ここでは、その原因について解説します。最初に紹介するのは、2006年6月に起きた事故です。大阪で開催されていた会議の最中に、米デル社製のノートパソコンが突然発火し炎上しました。
事故の結果、パソコンのメーカーであるデル社はノートパソコン用のリチウムイオン電池を自主回収することとなりました。しかし事態はそれだけでは収まらず、中国社製のノートパソコンも発火事故を起こしていたことが判明する運びとなりました。そして、3社全てにリチウムイオン電池を供給していた日本のメーカーの対応に、大きな注目が集まったのです。その後もリチウムイオン電池においては、メーカー問わずに幾度かの発火事故や発熱・発煙等の事故が発生しましたが、再び世間の関心を集めることとなったのは2013年1月の航空機事故です。
この事故では、ボストン・ローガン空港に駐機していたボーイング787機が発火しました。事故の原因は、バッテリーに使用していたリチウムイオン電池がショートしたためとされていますが、なぜショートしたのかという詳細な原因までは判明していません。いずれにしても、リチウムイオン電池において発火や発熱・発煙等の事故が起きる時には、その原因は大きく分けて、電池本体の不良にあるか、電池の充放電を制御するための回路や装置に何らかの不具合が生じているかのどちらかになります。”
リチウムイオン電池は高温・刺激に注意
“前項で述べたように、リチウムイオン電池が原因となって発火や発熱・発煙等の事故が起きることもあります。事故を起こさないためには、気を付けるべきポイントをおさえて取り扱うことが必要です。1つ目のポイントは、リチウムイオン電池に対して強い刺激を与えないということです。リチウムイオン電池は先に触れたように、正極と負極、電解質、正極と負極を隔てるためのセパレータで構成されています。強い刺激を与えるとセパレータが破れてしまい、正極と負極が直に接触してショートを起こしてしまう危険性があるのです。ショートすると、発熱や熱暴走してしまう可能性が出てきます。
くれぐれも、強い刺激が加わることのないように気をつけましょう。興味本位での分解などはもってのほかです。2つ目のポイントとして挙げられるのが、高温環境に置かないようにすることです。高温の環境で長時間放置すると、内部のセパレータが縮まってしまい、やはり正極と負極が接触してショートする原因となります。製品メーカーが保証している温度内であれば基本的には大丈夫であると言えますが、例えば南向きの場所などは、屋内であっても真夏にかなりの高温になることが想定されます。家庭用蓄電池の設置場所には充分に配慮しましょう。”
リチウムイオン電池は放電状態で放置しないこと
“リチウムイオン電池は、放電状態で放置しないことも大切です。放電状態で長期間放置すると、過放電状態になることがあります。過放電状態というのは、電池残量が0%にも関わらず、充電しないままで長期間放置することです。こうなると、過放電からさらに深放電状態にまでなり、使うことができなくなってしまう可能性もあります。一般的には、過放電状態は過充電状態とは異なり、発火や破裂・発熱など事故のリスクは少ないとされています。実際にも、事故はそれほど報告されてはいません。
しかし理論上、電池の構造を考えると、過放電状態では負極の集電体となっている銅が溶け出すことが考えられます。これが過ぎると最終的には熱暴走につながるリスクがあるため、過放電状態にならないように充電するということも大切です。リチウムイオン電池の場合、小まめな浅い充電自体は何も問題となりませんから、20%から80%の電池残量の間で充電することが望ましいでしょう。”
まとめ
リチウムイオン電池は、過去に航空機などでトラブルが発生したこともあったものの、家庭での取り扱いに気を付ければ、特に問題なく使用ができます。また、高電圧や高エネルギー密度、長寿命などの特徴があるために出荷数は増加しています。今後、量産化による低価格が実現すれば、需要はさらに増加するでしょう。
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