リチウム電池の劣化とその防止方法を理解する

リチウムイオン電池技術は、重要な産業用途を支え、信頼性と効率性を確保しています。これらの電池は、2023年時点で医療用電池市場の50.73%のシェアを占め、市場を席巻しており、2024年から2032年にかけて6.48%のCAGRで成長すると予測されています。高いエネルギー密度と長いサイクル寿命により、ロボット工学、計測機器、ポータブル医療システムに不可欠な存在となっています。しかしながら、容量低下や抵抗増加といったリチウム電池の劣化は、業務に支障をきたし、コスト増大につながる可能性があります。電池の劣化要因を理解することは、効率を維持し、不要な費用を回避するために不可欠です。

重要なポイント

• リチウムイオン電池は20%～80%の充電状態を保ちましょう。そうすることで電池の寿命が長くなり、性能が向上します。

• バッテリーは50%程度充電した状態で、涼しく乾燥した場所に保管してください。これにより、バッテリーの損傷が軽減され、寿命が長くなります。

• バッテリー管理システム（BMS）を使用して、バッテリーの状態を確認します。バッテリーの状態（SOH）や内部抵抗などを追跡します。

パート1：リチウム電池の劣化の進行原因

1.1 化学的摩耗と老化

化学的摩耗と経年劣化は、リチウムイオン電池の劣化の主な要因の一つです。時間の経過とともに、電池内部の化学反応により、負極上に固体電解質界面（SEI）層が形成されます。この層は当初は電池を安定化させますが、継続的に成長することでリチウムイオンが消費され、電池容量が低下します。さらに、高充電レートや低温下では、負極表面にリチウムが析出する現象であるリチウムプレーティングが発生し、劣化をさらに加速させる可能性があります。

市販のNMC/C-SiOリチウムイオンセル228個から30億点以上のデータポイントを分析した包括的な研究は、これらのメカニズムの影響を浮き彫りにしています。この研究では、温度や充電状態（SoC）など、様々な条件下での容量低下とインピーダンスの増加を測定しました。これらの知見は、化学的摩耗を軽減し、バッテリー寿命を延ばすために動作戦略を最適化することの重要性を強調しています。

1.2 充放電によるサイクル劣化

繰り返しの充電サイクルはリチウムイオン電池の動作に不可欠ですが、同時に徐々に劣化を進行させます。各サイクルでは、リチウムイオンが陽極と陰極の間を移動し、電極材料に機械的ストレスと構造変化を引き起こします。時間の経過とともに、活物質とリチウムの損失が進み、電池の容量と性能が低下します。

物理ベースのモデルは、これらの劣化メカニズムの理解に大きく貢献してきました。これらのモデルは、リチウムイオン電池の残存耐用年数（RUL）を予測し、摩耗を最小限に抑えるための動作条件の最適化を実現します。また、これらのモデルは、リチウム含有量の減少（LLI）などの劣化モードと、電池性能への影響を関連付けます。

• この分析では、物理ベースのモデルを利用して、リチウム電池の劣化メカニズムを特定します。

• これらのモデルは、残存耐用年数 (RUL) を予測し、動作条件を最適化します。

• 劣化モード (DM) 分析は、リチウム在庫の損失 (LLI) や電極内の活物質の損失などの指標に焦点を当て、劣化メカニズムとその影響を結び付けます。

1.3 暦の老化：時間の影響

リチウムイオン電池は、使用していない場合でも、時間の経過とともに徐々に容量が低下するカレンダーエージング（経年劣化）を経験します。このプロセスは主にSEI層の成長と電解質材料の分解によって引き起こされます。カレンダーエージングは、温度、充電状態、保管条件などの要因によって影響を受けます。

リチウムイオン電池における暦年経年劣化の影響については、いくつかの研究が検討されています。例えば、Naumannら（2020）はLiFePO4/グラファイトセルのサイクル経年劣化メカニズムを解析し、Schmalstiegら（2014）はNMC電池の包括的な経年劣化モデルを開発しました。これらの研究は、経年劣化が電池寿命に及ぼす影響について貴重な知見を提供し、適切な保管とメンテナンスの重要性を浮き彫りにしています。

1.4 環境要因：温度、湿度、および不適切なリチウムイオン電池の保管

環境条件はリチウムイオン電池の性能と寿命に大きな影響を与えます。高温は電池内の化学反応を加速させ、劣化を早めます。45℃を超える温度で充電すると、熱暴走を引き起こす可能性があり、安全性を損なう危険な状態となります。逆に、低温ではリチウムイオンの移動度が低下し、内部抵抗が増加して電池効率が低下します。

湿度と不適切な保管も重要な役割を果たします。過度の湿気はバッテリー部品を腐食させる可能性があり、高充電状態での長期保管はカレンダーエージングを悪化させる可能性があります。15～25℃の温度範囲で、充電レベルを約50%にするなど、最適な保管条件を維持することで、これらの影響を軽減できます。

• リチウムイオン電池は、適度な温度、具体的には 20°C (68°F) ～ 25°C (77°F) で最適に動作します。

• 特に 45°C を超える温度で充電する場合、高温によりバッテリーが劣化する可能性があります。

• 極端な温度（高温または低温）は、バッテリーのパフォーマンスと寿命に悪影響を及ぼします。

パート2：バッテリー劣化の指標

2.1 容量低下：時間の経過とともにエネルギー貯蔵量が減少する

容量低下は、リチウムイオン電池の劣化の最も顕著な兆候の一つです。時間の経過とともに、電池のエネルギー貯蔵能力は低下し、駆動時間が短くなり、効率も低下します。これは、エネルギー貯蔵に不可欠な活性リチウムイオンと電極材料の損失によって発生します。ロボット工学や医療機器などの産業用途では、容量低下は業務の中断やメンテナンスコストの増加につながる可能性があります。

バッテリーの寿命を延ばすには、容量低下の監視が不可欠です。最大充電容量を定期的に測定することで、劣化の兆候を早期に特定できます。例えば、最初は定格容量の100%を蓄電していたリチウムイオンバッテリーでも、数百サイクル後には80%まで低下することがあります。このような容量低下は、容量低下を遅らせるための予防的なメンテナンスと最適な充電方法の重要性を浮き彫りにしています。

2.2 内部抵抗の増加と性能への影響

内部抵抗は、バッテリーの健全性を示すもう一つの重要な指標です。リチウムイオンバッテリーは経年劣化に伴い内部抵抗が増加し、効率的な電力供給能力が低下します。特に電気自動車や産業機器などの高負荷用途では、充電速度の低下、過熱、性能低下につながる可能性があります。

内部抵抗の上昇は、特にニッケルベースのシステムにおいて、バッテリーの寿命を示す兆候となることがよくあります。しかし、異なる種類のバッテリーを比較するのではなく、経時的な抵抗の変化を追跡することが重要です。抵抗の上昇はバッテリーパック内に温度勾配を生み出し、劣化を加速させ、バッテリー寿命を縮める可能性があります。こうしたダイナミクスを理解することで、より適切な熱管理戦略を実装し、安定した性能を維持することができます。

2.3 健全性状態（SOH）：バッテリーパックを監視するための重要な指標

バッテリーの健全性（SOH）は、リチウムイオンバッテリーの状態を包括的に把握できる指標です。バッテリーの性能を、本来の仕様と比較して測定します。SOH指標は、バッテリー管理システム（BMS）にとって極めて重要であり、安全性を確保し、バッテリー寿命を最適化します。

SOH を推定する方法はいくつかあります。

• 最大容量や内部抵抗の評価などの直接測定方法。

• 電気化学モデルや等価回路モデルなどのモデルベースの方法。

• 過去の運用データを分析して SOH を予測するデータ駆動型の方法。

これらの技術を活用することで、バッテリーの性能向上、寿命の延長、予期せぬ故障の防止が可能になります。産業用途においては、正確なSOHモニタリングは信頼性の確保とダウンタイムの削減に不可欠であり、リチウムイオンバッテリーシステムの保守に不可欠なツールとなっています。

パート3：バッテリーの劣化を防ぐ効果的な方法

3.1 最適な充電方法: 20%～80%の充電レベルを維持する

充電レベルを20%～80%に維持することは、リチウムイオン電池の寿命を延ばす最も効果的な方法の一つです。この方法により、電極へのストレスが最小限に抑えられ、構造的完全性が維持され、摩耗が軽減されます。この範囲内で動作させることで、過充電や深放電など、電池の劣化を加速させる極端な状態を防ぐことができます。

• 充電レベルを 20% ～ 80% に保つと、バッテリーへの負担が軽減されます。

• このアプローチは、急速な消耗を引き起こす条件を回避することで、バッテリーの寿命を延ばします。

• 特にロボット工学や医療機器などの産業用アプリケーションに最適なパフォーマンスを保証します。

例えば、安定した電力供給が不可欠なロボット工学においては、この充電範囲を遵守することで運用効率を大幅に向上させることができます。これらの対策を実践することで、バッテリーの状態をより適切に管理し、長期的にメンテナンスコストを削減することができます。

3.2 温度管理：高温と低温の回避

温度はリチウムイオン電池の性能と寿命に極めて重要な役割を果たします。高温は化学反応を加速させ、劣化を早めます。45℃を超える温度で充電すると、熱暴走のリスクが高まり、安全性を損なう危険な状態となります。一方、低温ではリチウムイオンの移動性が低下し、内部抵抗が増加して効率が低下します。

研究では、効果的な熱管理によってリチウムイオン電池の劣化を遅らせることができることが確認されています。例えば、

• パウチセルのアクティブ冷却方法により、劣化速度が最大 3 倍低下します。

• セル内の不均一な温度分布により抵抗勾配が生じ、局所的な劣化を引き起こします。

保管温度を15℃～25℃に保つことで、バッテリーの最適な性能を確保できます。産業用バッテリーパックの場合、効果的な換気システムを導入し、充電温度の制限を監視することで、安全性と信頼性をさらに高めることができます。

3.3 過放電と過充電を避ける

過放電と過充電はリチウムイオン電池の健全性に悪影響を及ぼします。過放電は電極に不可逆的な銅の析出を引き起こし、性能低下につながる可能性があります。一方、過充電は材料の摩耗を加速させ、サイクル安定性を低下させます。

これらの問題を回避するには:

• バッテリー管理システム (BMS) を使用して充電レベルを監視し、過充電を防止します。

• 完全放電サイクルはバッテリーに負担をかけ、寿命を縮めるので避けてください。

測量機器などの産業用途では、適切な充電レベルを維持することで、安定したパフォーマンスを確保し、ダウンタイムを削減できます。こうした対策は、バッテリー寿命を延ばすだけでなく、全体的な運用効率も向上させます。

3.4 産業用バッテリーパックの製造元ガイドラインに従う

リチウムイオン電池の保管、使用、安全性を最適化するには、メーカーのガイドラインを遵守することが不可欠です。これらの指示は、バッテリーパックの特定の化学的性質と設計に合わせて調整されており、安全基準と規制への準拠を保証します。

これらのガイドラインに従うことで、産業用バッテリー パックの効率を最大限に高め、運用中断の可能性を減らすことができます。

3.5 バッテリーを部分充電レベル（約50%）で保管する

リチウムイオンバッテリーの適切な保管は、バッテリーの長期的な健全性にとって非常に重要です。バッテリーを約50%の部分充電レベルで保管することで、電極への負担を最小限に抑え、劣化のリスクを軽減できます。チャルマース工科大学の研究によると、50%の充電状態（SOC）を維持することで、バッテリーの寿命を44～130%延ばすことができます。

長期保管の場合は、バッテリーを涼しく乾燥した安定した温度環境で保管してください。フル充電状態や過酷な条件での保管は劣化を早めるため、避けてください。信頼性と寿命が最優先される産業用途では、安全なバッテリー保管方法が特に重要です。

産業用アプリケーションにおけるバッテリー寿命の維持には、バッテリー劣化の主な原因を理解することが不可欠です。操作習慣、環境要因、そして経年劣化は、パフォーマンスに大きな影響を与えます。

最適な充電、温度管理、リチウムイオン電池の適切な保管といった予防的なケアによって、これらの影響を軽減することができます。例えば：

• 温度はバッテリーの寿命とパフォーマンスに大きな影響を与えます。

• 寒い環境ではバッテリーの容量と効率が低下します。

• 高温により損傷のリスクが高まり、寿命が短くなる可能性があります。

リアルタイム監視システムなどの技術革新により、過熱を防止し、パフォーマンスを最適化することで、バッテリー寿命がさらに向上します。これらの戦略を採用することで、産業環境におけるリチウムイオンバッテリーの信頼性と効率性を確保できます。

よくある質問

1. リチウムイオン電池パックの状態を効果的に監視するにはどうすればよいでしょうか?

バッテリー管理システム（BMS）を使用すると、バッテリーの健全性（SOH）、容量、内部抵抗などの指標を追跡できます。これらのシステムは安全性を確保し、パフォーマンスを最適化します。

2. リチウムイオン電池の理想的な保管条件は何ですか?

バッテリーは50%の充電レベルで20～25℃で保管してください。劣化を最小限に抑えるため、極端な温度や高湿度を避けてください。リチウムイオンバッテリーの保管について詳しくは、こちらをご覧ください。

3. 産業用途において最も長いサイクル寿命を提供するリチウム電池のタイプはどれですか?

LiFePO4リチウム電池は2000～5000サイクルの充放電サイクルを実現し、産業用途に最適です。エネルギー密度は100～180Wh/kgの範囲で、信頼性と長寿命を保証します。大容量電力ソリューションをご覧ください。