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リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池の違いとは？

28/02/2023

スマートフォンや電気自動車など、私たちの生活を支える多くのテクノロジーには、高性能な電池が欠かせません。中でも、リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池は、代表的な二つの充電式電池として広く利用されています。
本記事では、それぞれの電池の特徴や性能の違いをわかりやすく解説し、どちらがどのような用途に適しているのかを紹介します。

目次

リチウムイオン電池とは

【リチウムイオン電池の概要】

リチウムイオン電池（Li-ion電池）は、電気を化学エネルギーとして蓄え、必要に応じて電力を供給する二次電池（充電可能な電池）の一種です。リチウムイオン電池は、スマートフォンやノートパソコン、電動自動車、さらには家庭用の電力貯蔵システムなど、さまざまな電子機器や電気機器で広く使用されています。

リチウムイオン電池の仕組み

リチウムイオン電池は、主に正極、負極、電解液、そしてセパレーターという4つの主要な構成要素から成り立っています。

  • 正極（カソード）：コバルト酸リチウム（LiCoO₂）、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム（NMC）、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム（NCA）といった材料がよく採用。
  • 負極（アノード）：グラファイト（炭素）が一般的。
  • 電解液：正極と負極の間には、リチウム塩を含む有機溶媒で構成された電解液が存在し、これがイオンの移動を可能。
  • セパレーター：正極と負極の接触を防ぎつつ、イオンの移動を可能にする絶縁体。

充電時には、リチウムイオンが正極から負極へと移動し、放電時にはその逆に負極から正極へと戻ります。このリチウムイオンの移動に伴い、外部回路を通じて電流が生まれ、電力として利用されます。

リチウムイオン電池の特徴

リチウムイオン電池には、さまざまな優れた特性があります。

  • 高エネルギー密度：リチウムイオン電池は、リチウムイオン電池は軽量かつコンパクトでありながら、多くのエネルギーを蓄えることができます。この特性により、スマートフォンやノートパソコンといった携帯性が重視される機器に最適です。
  • サイクル寿命が長い：リチウムイオン電池は、適切な管理のもとでは、数千回にわたる充放電に耐えることができ、長期間にわたって安定した性能を保ちます。
  • 低自己放電率：リチウムイオン電池は、長期間使用しない場合でもエネルギーの損失が少ないため、必要なときにすぐ使えるという安心感があります。
  • 軽量・コンパクト：高エネルギー密度によって、同等のエネルギーを蓄えるための体積や重量を抑えられるため、製品設計における自由度が高まります。

リチウムイオン電池の用途

リチウムイオン電池は、その高い性能と信頼性から、さまざまな分野で幅広く活用されています。

代表的な用途としては、スマートフォン、ノートパソコン、タブレットなどのポータブルデバイスが挙げられます。これらのデバイスでは、軽量かつ高出力なバッテリーが不可欠であり、リチウムイオン電池の特性が最も発揮される場面です。

  • また、電気自動車（EV）においても重要な役割を果たしています。高エネルギー密度と軽量性を活かし、車両の走行距離延長や重量軽減に貢献しています。
  • さらに、家庭用の電力貯蔵システムにおいても使用されています。特に、太陽光発電と連携してエネルギーを効率的に蓄え、夜間や停電時のバックアップ電源として活用されるケースが増えています。
  • 加えて、医療機器の分野でも、リチウムイオン電池は欠かせない存在です。高い信頼性と安定した電力供給が求められる医療現場において、その性能が高く評価されています。

リチウムイオン電池の種類

リチウムイオン電池と一口に言っても、実際には用途や性能特性に応じてさまざまな種類が存在します。正極材や電解液の組成の違いにより、それぞれの電池はエネルギー密度、安全性、寿命、コストなどにおいて異なる特徴を持っています。

次では、代表的なリチウムイオン電池の種類と、それぞれの特徴を紹介します。

特徴・項目

リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）

三元系リチウム（NCM/NMC）

NCA系リチウム

正極材

リン酸鉄（LiFePO₄）

ニッケル・コバルト・マンガン

ニッケル・コバルト・アルミニウム

負極材

グラファイト

グラファイト

グラファイト

最低放電温度

約 -20℃

約 -10℃

約 -10℃

サイクル回数（寿命）

約 2,000～5,000 回

約 1,000～2,000 回

約 1,000～2,000 回

自己放電率

低（約 3%/月）

中（約 5%/月）

中（約 5%/月）

重量

やや重い

軽量

軽量

エネルギー密度

低～中（90–120 Wh/kg）

中～高（150–200 Wh/kg）

高（200–250 Wh/kg）

初期コスト

低

中～高

高

応用シーン

太陽光蓄電池、キャンピングカーのサブバッテリー、家庭用蓄電

EV、スマートフォン、ノートPCなど

高性能EV（Tesla等）、航空用途など

※ リチウムイオン電池の注意点

  • 安全管理：過充電や過放電、さらには物理的な衝撃によって発火や爆発の危険性があるため、バッテリー管理システム（BMS）による厳格な制御が不可欠です。
  • 温度管理：リチウムイオン電池は温度の影響を受けやすく、高温や低温下では性能が低下するため、適切な温度管理が求められます。
  • コスト：高いエネルギー密度を実現している反面、製造コストや導入時の初期費用はやや高めです。

リチウムイオン電池は、その高エネルギー密度と軽量性により、ポータブル電子機器や電気自動車など、現代のさまざまな技術に欠かせない存在です。適切に管理・使用することで、長期間にわたり安定した性能を維持し、幅広い分野でその利便性が発揮されます。

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リン酸鉄リチウムイオン電池とは

【リン酸鉄リチウムイオン電池の概要】

リン酸鉄リチウムイオン電池（LiFePO4電池）は、リチウムイオン電池の一種で、正極にリン酸鉄リチウム（LiFePO4）を使用しています。この電池は、リチウムイオンの移動によって電力を蓄え、放出します。

リン酸鉄は、高い安全性と耐久性を持ち、多くのアプリケーションで利用されています。小型の電子機器には不向きですが、キャラバン、バスボート、ゴルフカート、電動バイク、ソーラーシステムなどには最適です。

関連記事：LiFePO4バッテリーの基本知識：安全に使うための6つのポイント

リン酸鉄リチウムイオン電池の仕組み

リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）電池は、リチウムイオン電池の一種であり、その基本的な仕組みは共通しています。しかし、使用される材料や性能にはいくつかの違いがあります。

以下では、リン酸鉄リチウムイオン電池の構造と特徴について詳しく見ていきましょう。

  • 正極（カソード）：リン酸鉄リチウム（LiFePO4）が使われており、構造の安定性と熱的安全性に優れている。
  • 負極（アノード）：グラファイト（炭素）が使用され、リチウムイオンの出入り口として機能
  • 電解液：リチウム塩を含んだ有機溶媒で構成されており、イオンの移動を促進。
  • セパレーター：正極と負極の接触を防ぎ、イオンが通過できるようにする絶縁体。

充電時にはリチウムイオンが正極から負極へ移動し、放電時には逆に負極から正極へ戻ることで電力を供給します。この基本原理は他のリチウムイオン電池と共通しつつも、リン酸鉄の採用によってより安全性・耐久性に優れた構造となっています。

リン酸鉄リチウムイオン電池の特徴

  • 高い安全性：リン酸鉄は化学的に安定しており、高温や過充電の状況でも発火や爆発のリスクが非常に低いため、安心して使用することができます。
  • 長寿命：LiFePO₄電池はサイクル寿命が非常に長く、数千回の充放電を繰り返しても性能を維持できるため、長期間の使用に適しています。
  • 安定した出力性能：高温や低温といった環境下でも性能の変動が少なく、安定した電圧出力を保つことができます。
  • 環境にやさしい：コバルトやニッケルを使用せず、リン酸鉄を主成分とするため、製造や廃棄時の環境負荷が比較的低く、エコフレンドリーな選択肢として注目されています。

これらの特性により、リン酸鉄リチウムイオン電池は、安全性や耐久性が重視される用途において、信頼性の高い選択肢として広く採用されています。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの寿命

リン酸鉄リチウムイオン電池の用途

リン酸鉄リチウムイオン電池は、その優れた安全性と長寿命が求められるさまざまな用途に広く使用されています。

  • 電動自転車：高い安全性と長寿命が求められるため、電動自転車や電動バイクで広く使用されています。
  • エネルギー貯蔵システム：太陽光発電システムや家庭用のエネルギー貯蔵システムとして、効率的にエネルギーを蓄え、家庭の電力需要に応じて活用されています。
  • 家用蓄電池：停電時のバックアップ電源や、電力使用のピークシフトのために家庭内で使用されることが増えています。
  • 電動工具：高い放電率と安定した性能が必要な電動工具にも使用されています。
  • 電気自動車：一部の電気自動車に採用されており、安全性と長寿命が特に評価されています。

リン酸鉄リチウムイオン電池の充電について

リン酸鉄リチウムイオン電池（LiFePO₄）の充電を理解することは、その性能と寿命を保つために非常に重要です。充電に関する基本的な知識をもとに、充電方式や注意点を把握することが大切です。

1. 充電の基本概念

リチウムイオン電池は、定電圧（CV）と定電流（CC）方式で充電されます。これにより、過充電を防ぎつつ効率的にエネルギーを蓄えることができます。

2. 充電方式

リン酸鉄リチウムイオン電池には、いくつかの充電方式が存在し、それぞれに特徴があります：

  • 専用充電器：家庭用やオフィスで使用される充電器で、電池に適した電圧と電流を提供します。これにより、安全かつ効率的に充電できます。
  • 走行充電器：車両や電動バイクなど、走行中に電力を生成してバッテリーに充電する方式です。特に、移動中に充電を行いたい場合に便利です。
  • 太陽光充電器（MPPT）：太陽光パネルと最大電力点追従技術（MPPT）を活用し、効率的に充電を行います。特にオフグリッドシステムやキャンプなど、再生可能エネルギーを活用したいシーンに適しています。

3. 充電速度

充電速度は、電池の性能や寿命に大きく影響します。過度に速い充電は電池にストレスを与え、寿命を縮める原因となるため、適切な電流での充電が推奨されます。

  • 適切な充電電流の目安：一般的に、リン酸鉄リチウムイオン電池は定格容量（Ah）の0.2C〜0.5C程度の電流で充電するのが安全とされています。たとえば、12V 100Ahのバッテリーであれば、20A（0.2C）の充電器を使うことで、バッテリーに負担をかけずに5〜6時間で満充電できます。
  • 急速充電とのバランス：より高い電流（たとえば0.5C＝50A）で充電すれば、時間は短縮されますが、電池の劣化が早まるリスクもあるため、使用頻度や環境に応じた判断が求められます。

4. 充電の安全性

充電中の安全性を確保するため、以下の点に注意が必要です：

  • 異常の監視：充電中は、過熱や異常音がないか定期的に確認し、異常があればすぐに充電を中止します。
  • 温度と湿度の管理：高温や湿度が高い環境での充電は避けるべきです。これらの条件は、バッテリーに悪影響を与え、寿命を縮める原因となります。

リン酸鉄リチウムイオンのメリットとデメリット

リン酸鉄リチウムイオン電池（LiFePO₄）は、その優れた安全性や長寿命といった特徴から、さまざまな用途で注目を集めています。しかし、すべての面で万能というわけではなく、他の電池と比較した際の弱点も存在します。ここでは、リン酸鉄リチウムイオン電池の主なメリットとデメリットを整理し、その特性をバランスよく理解するための参考とします。

リン酸鉄リチウムイオン電池のメリット

【高い安全性】

  • 耐熱性：リン酸鉄は高温に対して非常に安定しており、過充電や短絡時でも発火や爆発のリスクが低くなります。
  • 化学的安定性：リン酸鉄の化学的性質により、電池が損傷しても有害なガスを発生しにくいです。

【長寿命】

  • サイクル寿命：LiFePO4バッテリーは2,000回以上の充放電サイクルを持つことが多く、長期間にわたり安定した性能を発揮します。
  • 寿命の安定性：高いサイクル寿命により、長期的なコストパフォーマンスが良好です。

【安定した出力】

  • 出力電圧の安定性：高温や低温環境でも、出力電圧が比較的一定であるため、安定した性能を提供します。
  • 高い放電率：高い放電率を持ち、高負荷の状況でも安定したエネルギー供給が可能です。

【エコフレンドリー】

  • 環境への影響：リン酸鉄はコバルトやニッケルを使用しておらず、環境への負荷が比較的少ないです。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーのメリット

リン酸鉄リチウムイオン電池のデメリット

【低温環境での性能劣化】

  • 低温下での放電性能や充電効率がやや劣る傾向があり、寒冷地域での使用では注意が必要です。特にマイナス10℃以下では内部抵抗が大きくなり、出力や充電速度が大幅に低下します。

【充電電圧が異なるため、互換性が制限される】

  • 他のリチウムイオン電池と比較して充電特性が異なるため、専用のBMSや充電器が必要となる場合が多く、機器との互換性が限定されることがあります。

【価格メリットが用途によっては限定的】

  • 長寿命や安全性を考慮すればトータルコストは安いとも言えますが、初期導入コストは必ずしも安価とは限らず、短期的なコスト重視の用途では他の選択肢が優先されることもあります。

リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池の違い

【エネルギー密度】

  • リチウムイオン電池：高いエネルギー密度を持ち、軽量でコンパクトな設計が可能です。
  • リン酸鉄リチウム電池：エネルギー密度はやや低めですが、安定性や寿命の面で優れています。

【安全性】

  • リチウムイオン電池：過充電や短絡による発火リスクがあるため、バッテリー管理システム（BMS）が重要です。
  • リン酸鉄リチウム電池：非常に高い安全性を持ち、発火や爆発のリスクが低いです。

【サイクル寿命】

  • リチウムイオン電池：一般的に500～1,500回程度の充放電サイクルが可能です。
  • リン酸鉄リチウム電池：4,000回以上の充放電サイクルが期待できます。

【コスト】

  • リチウムイオン電池：コストは比較的高めですが、エネルギー密度が高いことで体積あたりの価格が割安になります。
  • リン酸鉄リチウム電池：初期コストはやや低めですが、エネルギー密度が低いため、同じエネルギー容量を確保するためには大きなサイズになります。

【新技術】

リン酸鉄リチウム電池は、リチウムイオン電池よりも新しい技術を使用しています。 化学的安定性と熱的安定性に優れています。 取り扱いを誤った場合でも、リチウムイオン電池より燃えにくいです。

【異なる化学物質】

化学組成について注意すべき点は、リン酸鉄リチウムが無毒な物質であるのに対し、LiCoO2はもともと危険な物質であることだ。 この要因から、ユーザーやメーカーにとって、その廃棄は大きな関心事となっている。

以下に、リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池の違いを表形式で整理しました。比較が一目でわかりやすくなります。

特徴 リチウムイオン電池  リン酸鉄リチウム電池
化学物質 コバルト酸リチウム (LiCoO2) やマンガン酸化リチウム (LiMn2O4) など リン酸鉄リチウム(LiFePO4)
エネルギー密度 高い（約150-250 Wh/kg） 中程度（約90-160 Wh/kg）
安全性 過充電や高温で発火リスクがある 高温や過充電に対して非常に安全
サイクル寿命 約500-1,500回 約4,000回以上
出力安定性 出力電圧がやや変動することがある 安定した出力電圧
コスト 高め やや低め
重量・体積 軽量でコンパクト 同じエネルギー容量で大きくて重い
温度耐性 高温や低温で性能が変動することがある 高温・低温でも性能が比較的一定
主な用途 スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車 電動自転車、エネルギー貯蔵システム、電動工具

リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池、どちらを選ぶべきか？

電池のタイプは、使用目的や求められる性能に応じて適切に選ぶ必要があります。以下のポイントを参考に検討しましょう。

  • ポータブル機器や軽量化が求められる用途：高エネルギー密度を活かせるリチウムイオン電池が適しています。
  • 安全性や長寿命を重視する用途：高い安定性と耐久性を持つリン酸鉄リチウム電池（LiFePO₄）が有効です。

リチウムイオン電池とリン酸鉄リチウム電池は、それぞれに異なる特徴と利点があります。最適な選択は、使用環境や求められる性能要件に応じて異なります。目的に合った電池を選ぶことで、安全性と効率性の高いエネルギー活用が実現できます。

リチウムイオン電池の用途

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モデル

定格電圧／

エネルギー容量

サイズ

重量

低温保護機能

Bluetooth機能

12V 100Ah

12.8V／1280Wh

330*172*216mm

約10Kg

✖

✖

12V 100Ah mini

12.8V／1280Wh

260*133*227.5mm

約9Kg

✖

✖

12V140Ah Bluetooth

12.8V／1792Wh

330*172*216mm

約12.71Kg

⭕

⭕

12V280Ah Bluetooth

12.8V／3584Wh

522*237*218mm

約26.2Kg

⭕

⭕

24V 50Ah Bluetooth

25.6V／1280Wh

260*168*211mm

約9.6kg

✖

⭕

24V 100Ah

25.6V／2560Wh

532*207*216mm

約20.68kg

✖

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