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スマホを使っているとバッテリーの"もち"が気になります。使っていると、 1 日ではなく、 1 週間くらい電池が持ってほしいものです。スマホが「リチウムイオン電池」をつかったものとは知っているもののリチウム電池などもあり、乾電池ともどう違うのかなど”かじればかじるほど”「わからなさ」の広がりと深さを感じてしまいます。今回は「化学電池」に分類される「スマホ」に使われている「リチウムイオン電池」について調べてみます。

※一般的に「リチウム電池」と呼ぶ場合は、一次電池である充電ができない使い捨ての電池を示す。

以下の文献は
出典：ソフトバンク https://www.softbank.jp/sbnews/entry/20200330_03
電気設備の知識と技術 https://electric-facilities.jp/denki1/lithium.html

から紹介させていただきました。

（出典：https://www.softbank.jp/sbnews/entry/20200330_03）

化学電池のうち、乾電池のように充電できない電池を「一次電池」と呼びます。充電できるものは「二次電池」と呼び、その代表格がリチウムイオン電池です。その他に、酸素と水素の反応を利用する「燃料電池」があります。

＜電池の基本の仕組み＞

まず負極では、負極に使われている物質が電解質と反応し、①マイナスの性質を持った「電子」が放出されます。電子を失った物質の原子は、プラスの性質を持った「イオン」として電解質に溶け出します。簡単にいえば、プラスとマイナスを持っていた原子から電子（マイナス）が抜けたため、プラスの性質が残るイオンとして溶け出すイメージです。

放出された電子は、②導線を通って正極へと移動します。このとき、電子の移動とは反対方向に電流が流れ、電気エネルギーが発生（＝放電）します。

正極に到着した電子は、③電解質内のイオンと結びつきます。イオンとくっついて正極から電子がなくなると、また負極から電子が移動してきて、イオンとくっつきます。そうしてこの反応が続くと、やがて電子を放出する原子がなくなります。つまり、原子がなくなって電子の流れが止まってしまうと電気を作れなくなり、電池切れの状態になるのです。言い換えると、負極に原子がたくさんあれば、電池を長持ちさせられるというわけです。

[電池の仕組みを簡潔にまとめ]

化学反応により、電子とイオンが発生する
電子とイオンの移動によって電気エネルギーが作られる
電子が流れなくなると電池切れになる

＜リチウムイオン電池の特徴＞

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、容易に高電圧を得られるため、携帯電話やスマートフォン、ノートパソコンの内蔵電池として多用されている。リチウムイオン電池の定格電圧は 3.6V 程度であり、小型ながら乾電池と比べて大容量かつ長寿命のため、携帯電話やスマートフォン、ノート PC といった持ち運びを行う電気機器の搭載バッテリーとして広く使用されている。

リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に見られる 「メモリー効果」が発生しない ため、頻繁な充放電の繰り返しや、満充電に近い状態での充電が多くなりがちな、 携帯電話やノートパソコンといったモバイル機器の電源として適している 。

リチウムイオン電池の場合、 500 回の充電サイクル回数を繰り返した時点で、電池容量が 60 ％程度まで減少するとされている。携帯電話やスマートフォンで「 100 ％まで充電をしてもすぐに電池がなくなる」という事象がよく見られるが、電池そのものが古くなり劣化が進んでいるのが原因であり、この場合は新品の電池に交換するのが望ましい。

携帯電話やスマートフォンに搭載されたリチウムイオン電池の場合「毎日就寝前に充電し、翌朝 100 ％となっている」という使い方であれば、「 1 年半」程度の使用で電池容量は 60 ％程度まで減少するであろう。

＜リチウムイオン電池を長持ちさせる方法＞

リチウムイオン電池は長寿命かつ大出力という利点がある高性能な電池だが、使い方によって寿命が短くなる。代表的な「寿命低下」の原因を紹介する。

[満充電の継続による電池性能の劣化]

携帯電話やスマートフォンを新規購入した場合、電池残量はほとんど切れる寸前か、多くとも半分程度の状態で販売される。電池を長時間保存する場合、 満充電状態が継続していると寿命が短くなる ため、充電量を抑えた状態で販売している。

電池が完全に放電すると致命的な損傷を与えるため、長期間に渡って購入されず充電されないことがあっても、完全放電を避けるため半分程度の充電は確保されている。

満充電状態での保存は、リチウムイオン電池の劣化を早める原因となる。購入前はユーザーの知るところではないが、使用開始後であっても「満充電となっている期間を短く」という使い方ができれば、同じ電池をより長期間に渡って使用できる。

電池を長期間使用していない場合だけでなく、リチウムイオン電池を使用している際も同様である。 常に充電器にコンセントを接続した状態にするなど、浅い充電を繰り返しての満充電状態が継続すると、電池の寿命に悪影響を及ぼす。

携帯電話は頻繁に持ち歩く機会があるため、常に満充電にしておきたいものである。電池を持たせたいことを理由に、満充電とせずに使用して利便性を損なうのは望ましいことではありません。携帯電話やスマートフォンでの利用にあっては、定期的な電池パックの交換を行って対応するのが通例となっている。→要するのバッテリーの寿命はあるので、ちょっと持ちが悪いと思ったらバッテリーの交換等を考えなさいと受け止めています。

[ 高温環境での利用・保管による劣化]

リチウムイオン電池は周囲温度 25 ℃を基準にしている。持ち運びを前提としている電気機器に搭載されたリチウムイオン電池は、熱せられた自動車内、入浴中の利用、直射日光にさらされる場所への放置など、過酷な温度環境に晒されることも珍しくなく、温度上昇による寿命の劣化が懸念される。

リチウムイオン電池の最高許容周囲温度は「 45 ℃」と規定されている。日本国内の一般的な環境であれば 45 ℃以上の周囲温度になることは考えられないが、直射日光の当たる自動車内への放置、入浴中の利用を想定すると、 45 ℃を超過した危険温度になり得る。

電池の温度上昇は寿命の低下だけでなく、本体の電子回路や内部配線の絶縁劣化を引き起こす原因となり、異常発熱による発煙や発火、本体の変形などの不具合につながる。 高温条件では電池は著しい性能劣化を引き起こす。これらの影響により一般的に「 500 回」といわれる充電サイクル回数に至る前に、電池が寿命となる事例も多い。保管方法と利用環境には十分な注意が必要である。

[ 過放電による電池性能の劣化]

電池は過放電に弱い。電池の残量がなくなると、それ以上の放電を避けるため「残量 0 ％」といった表示をして電気機器を停止させる。放電した電池を継続利用すると、最低限必要な電圧を下回る「深放電状態」となり、セルの劣化が著しく進行し回復不能となる。 過剰に放電された電池は破損状態となり再度充電するのは難しい。利用不能となるので、放電のし過ぎに注意が必要である。

最低電圧が 2.8V 程度となった時点で、電池の放電を停止するよう保護装置が組み込まれており、通常の使い方であれば過放電状態にはならない。放電された状態で長期間放置しての自然放電や、組み合わせ電池の一部セルが過放電となる事例があるが、過放電状態となったセルは再充電が不能となり、システム全体の電池容量が低下したり、異常発熱や発火につながるおそれがある

[ リチウムイオン電池の保護回路による発火防止]

リチウムイオン電池は電力密度が高く、過充電や過放電、短絡の異常発熱により発火・発煙が発生し火災につながる。過充電を防ぐために、電池の充電が完了した際に充電を停止する安全装置や、放電し過ぎないよう放電を停止する安全装置が組み込まれている。

電池の短絡保護： 電池パックの端子間がショート（短絡）した場合、短絡電流と呼ばれる大きな電流が発生する。電池のプラス極とマイナス極を導体で接続した状態では、急激に発熱してセルを破壊し、破裂や発火の事故につながる。

短絡電流が継続して発生しないよう、電池には安全装置が組み込まれている。短絡すると大電流が流れるため、電流を検出して安全装置が働くよう設計される。短絡による大電流は即時遮断が原則であり、短絡発生の瞬間に回路を切り離す。

過充電の保護： 過充電の安全装置が組み込まれていなければ、 100 ％まで充電された電池がさらに際限なく充電され、本来 4.2V 程度が満充電があるリチウムイオン電池が 4.3 、 4.4V と充電されてしまう。過剰な充電は発熱や発火の原因となる。

リチウムイオン電池の発火事故は充電中が多く、期待された安全装置が働かなかったり、複数組み合わされたセルの電圧がアンバランスを起こし、一部セルが異常電圧になる事例もある。セル個々で過電圧保護ほ図るのが望ましい。

一部のスマートフォンやタブレット PC では、過剰に放電を行った場合に 24 時間もの長時間に渡って連続充電し、電圧を一定値以上まで高めない限り復帰しないといった安全装置を組み込んでいる事例がある。

～あとがき～

2019 年のノーベル化学賞が、リチウムイオン電池の開発に貢献した旭化成名誉フェローの吉野彰ら 3 人に授与されました。いまや世界のインフラともいえるリチウムイオン電池の“父”が受賞することは、すごいことです。今ひとつ理解が追いついていませんが、その原理は負極（アノード）とよばれるマイナスの電極から出てきた電子が電解質（たいていは液体）を流れ、プラスの電極である正極（カソード）に達する。この流れを回路に組み込みことで、電子機器が動くということだそうです。スマホの電源をはじめ蓄電池、プリウスなどの車載電池など多方面で活躍しているリチウムイオン電子の進化をさらに期待したいものです。以上