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スマートフォンのバッテリー持ち具合が悪い…リチウムイオン電池の仕組みと弱点!バッテリー劣化の対策

[2020.02.01] スマホスピタル博多

わたしたちの生活必需品になっているスマートフォンですが、これらの原動力でありなくてはならないのがリチウムイオン電池です。これがないと現代の生活様式は大きく変わっていたことでしょう。
今回はリチウムイオン電池ができるまでと仕組みについてご説明していきたいと思います。

まずは電池とは?というと多くの人に取っては電気を溜めておくものというイメージです。利用するだけならこの認識で問題ないと思います。
細かい定義はというと、物質の化学反応または物理反応によって放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換する装置というものです。発電機と何が違うの?となりそうですが、発電機は電磁誘導を利用して運動エネルギーを電気エネルギーに変えるものを指すようで、範囲は電池よりも狭くなります。ただ発電機には交流発電機もあるので、電池の一部に発電機が含まれるというわけでもないようです。
定義はこの辺で置いておいて電池の種類をご紹介します。

電池には電気を発生させる仕組みとして化学電池、物理電池(化学反応を行わず、光や熱などのエネルギーを電気エネルギーに変換する電池。太陽電池や原子力電池などが挙げられる)、生物電池(生体触媒【酸素・クロロフィルなど】や微生物を使った生物化学的な変化を利用して電気エネルギーを発生させる電池。現在実用化には至っていませんが、生物太陽電池や生物燃料電池が研究中とのこと)などの種類があります。
そして乾電池やボタン電池、車のバッテリーとして使われている鉛電池などとして、広く一般に普及している化学電池に絞ってみると、その中にはリモコンや懐中電灯によく見られる使い捨ての1次電池、スマートフォンやパソコンなどに使用される充電して再利用が可能な2次電池、外部から化学物質を入れて動かす電池などの3種類があります。リチウムイオン電池は化学反応で電気を発生させることができ、そして充電して再利用が出来ることから2次電池に分類されます。

次にリチウムイオン電池の仕組みです。電池が発電する仕組みは負極から電子(e-)が正極側に移動することで電気が生じます。そして充電の仕組みはリチウムイオンが正極側から負極側に移動することで電気が生じます。この移動の際の通り道が通電力に直結しこの通路は温度によって伸縮します。気温が低いと縮小し、気温が高いと拡大されます。例えば0℃で充電をした場合正極側から出たリチウムイオンが負極側に行きにくくなり、リチウム金属が析出しやすくなると言われています。ここでリチウム金属の何が危険なの?と思った方のために説明しておくと、リチウムとは水に激しく反応し触れると自然発火する可能性があり、引火性ガスを発生させたり、人体への影響が重篤な皮膚の薬傷・眼の損傷、呼吸器の障害のおそれなどがあります。リチウム電池全てに起こる可能性があるので、むやみに乾電池を火や水に近づけないように気をつけましょう。
一般的には保護剤に覆われているので電池パックを刺突したりしない限りは問題ないです。このリチウム金属を析出しにくくする方法としては、電池の温度を一定に保つことが挙げられます。充電温度範囲は0℃から45℃付近に規定されています。実際に影響のでる0℃以下や45℃以上で充電するケースはそうそうないでしょう。温度が高い場合だと電池の温度に加え環境温度が加えられるので電池が高温になる場合があることが心配です。高温になった場合の影響はバッテリーの放電量が増えるのでバッテリー自体の劣化に繋がります。人で例えるなら無駄に騒いで体力が減っていくようなものですね。これがリチウムイオン電池で、充電時の温度範囲が規定されている背景です。※0℃から45℃はあくまで許容範囲。適正温度は5℃から27℃です。

充電できる電池とできない電池の差はどこで決まるのだろう?と思った方はいらっしゃいませんか?
ここでは簡単に2種類の乾電池、アルカリ電池とニッケル水素電池を例に話していきます。この2つの電池基本原理は似ています。どちらとも化学反応によって蓄電されており、放電(使用)する際には化学反応を起こして化学エネルギーを電気エネルギーをに変換させます。逆に充電すると逆化学反応を起こします。この逆化学反応が起きるときはガスが発生し、電池の内部圧力がかなり高まりニッケル水素電池は空気圧の約10倍ほどに上昇します。ニッケル水素電池はガス吸収設計をしたり、密封構造で高い内部からの圧力に耐えますが、アルカリ電池にはそのような構造がまったくないのです。ですのでアルカリ電池を充電すると液漏れや破裂といった危険性があります。簡単にまとめると両極の素材の性質で充電の可否が決まってくるということです。これらを使用用途によって組み合わせを変えることで様々な種類の電池を作ることが出来ます。日本に存在する電池だけでも4,000種類ほどです。

これだけ様々な種類があり便利な電池。現状わたしたちの生活は大いに助けられていますが研究者たちはこの電池に弱点があるといいます。
・充電に時間を要する。
・適切に管理しないと発火する恐れがある。
・液漏れを起こす可能性がある。

充電って時間をかけるのが普通なんじゃないんでしょうか…適切に管理すればいいのでは?と思うのは私だけでしょうか。私は今でも十分に完成形のように思うのですが問題が全て改善される完璧な状態でないと研究している方は満足しないようです。こういった方々のおかげでわたしたちの生活が豊かになっていることに感謝ですね!

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