初心者でもわかるリン酸鉄リチウムイオンバッテリーの基礎知識補充
はじめに
近年、バッテリー市場において大注目のリチウムイオンバッテリーです。
一口にリチウムといっても、三元系リチウム、チタン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなど様々な種類があります。
Redodoでは、リチウムバッテリーの開発に向けて様々な試験を繰り返し何度も行って参りました。そして、2019年から、最初アマゾンで「ZOOMSリチウムイオンバッテリー」を販売開始いたしました。今REDODOに改名されました。
ちなみに、当社の「REDODOリチウムイオンバッテリー」はリン酸鉄リチウムを採用しています。
今回は、皆様に初心者でもわかるリン酸鉄リチウムイオンバッテリーの基礎知識をご紹介させていただきたいと思います。
是非、最後まで御覧いただけますと幸いです。
一、 リン酸鉄リチウムイオンバッテリーとは？
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、正極材料としてリン酸鉄リチウム（LiFePO₄）を用いたリチウムイオンバッテリーです。その動作原理は、正極と負極の間におけるリチウムイオンの埋め込みと脱埋め込みを通じて電気エネルギーを蓄え、放出することであり、独特の電気化学特性を有しています。
二、なぜリン酸鉄リチウムなのか？
弊社が開発したバッテリーは、リン酸鉄リチウムを採用しております。
ちなみに、大半のスマホ、ノートPC、タブレットなどに使用されているコバルト（Co）は小型で長持ちしますが、リン酸鉄リチウムと比較すると、発火のリスクが高くなります。
コバルト原子(Co)と酸素原子(O)の結合は不安定ですが、リン原子(P)と鉄原子(Fe)と酸素原子(O)の結合は強固といった性質があります。
つまり、バッテリーを扱う上で最も重要な安全性の観点において、最も信頼できるのがリン酸鉄リチウムなのです。
三、リン酸鉄リチウムが選ばれた主な理由
・安全性が高い（何と言っても安全第一）
・低コスト（他のリチウムと比較して部材が安い）
・電池電圧が鉛畜電池に近い（公称電圧：3.2V）
→直列接続（3.2V×４＝12.8V）することで、12Vの鉛畜電池に近い電圧となります。
以上が「リン酸鉄」を採用した理由となります。
四、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの応用分野
(I)電気自動車（EV）分野
これは、リン酸鉄リチウム電池が最も広く使用されている分野の一つです。例えば、BYDのHanシリーズやQinシリーズなど、多くのモデルにリン酸鉄リチウム電池が大規模に採用されています。リン酸鉄リチウム電池は、新エネルギー自動車に安定した電源を提供します。車両の耐久性を確保するだけでなく、高い安全性により消費者の安心感も高めます。
(II) エネルギー貯蔵システム分野
大規模なエネルギー貯蔵発電所において、リン酸鉄リチウム電池は重要な役割を果たします。余剰電力を貯蔵し、ピーク時に放出することで電力供給を調整・最適化し、電力システムの安定性と信頼性を向上させます。太陽光発電所や風力発電所などの再生可能エネルギー発電プロジェクトを支える多くのエネルギー貯蔵施設で、リン酸鉄リチウム電池が使用されています。
(III) 小型輸送分野
新エネルギー自動車に加えて、リン酸鉄リチウム電池は、低速電気自動車や電動自転車などの小型輸送機器にも徐々に採用されつつあります。従来の電池と比較して、これらの小型輸送機器の稼働時間を延長し、より安定した性能を実現します。
(IV) その他の分野
リン酸鉄リチウムバッテリーは、一部の医療機器や通信基地局のバックアップ電源など、安全性と安定性に対する要求が高い特殊な機器にも使用されています。
五、リン酸鉄リチウム電池と他の種類の電池の比較
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タイプ |
リン酸鉄リチウムイオンバッテリー |
三元リチウム電池（ニッケル・コバルト・マンガン酸化物） |
鉛蓄電池 |
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正極材料 |
リン酸鉄リチウム（LiFePO₄） |
リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（LiNixCoyMnzO₂） |
鉛とその酸化物 |
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エネルギー密度 |
やや低い、通常は140～180Wh/kg |
高い、通常は200～300Wh/kg以上 |
非常に低い、通常50～70Wh/kg |
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安全性 |
熱安定性に優れ、熱暴走温度が高く、火災や爆発が発生しにくい |
熱安定性が低く、火災の危険性が高い |
安全性は比較的高いが、エネルギー密度は低い |
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使用寿命 |
充放電サイクル数は2000回以上 |
充放電サイクル数は通常500～1000回 |
充放電サイクル数は通常300～500回 |
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重量 |
軽い |
軽い |
重い |
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コスト |
比較的高いが、減少傾向が示されている |
高い |
低い |
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主な応用 |
電気自動車、エネルギー貯蔵システム、小型車両など |
高性能の電気自動車、ドローン、耐久性に対する要求が高いその他の機器 |
低速電気自動車、電動自転車（従来モデル）、一部のバックアップ電源 |
六. リン酸鉄リチウム電池のメリットとデメリット
(I) メリット
1. 高い安全性：これはリン酸鉄リチウム電池の最も顕著なメリットの一つです。熱暴走温度は200℃以上に達し、三元系リチウム電池よりもはるかに高いため、使用中に激しい熱暴走反応を起こす可能性が低く、火災や爆発などの安全事故の発生確率を大幅に低減します。特に、新エネルギー車などの混雑した使用環境において、ユーザーに信頼性の高い安全保護を提供します。
2. 長寿命：充放電サイクル数は2,000回以上、あるいはそれ以上に達します。つまり、同じ使用条件下では、リン酸鉄リチウム電池は頻繁に交換する必要がなく、使用コストとメンテナンスコストを削減できます。特に、エネルギー貯蔵システムや新エネルギー車など、長期にわたる安定した動作が求められる用途に適しています。
3. 優れた耐高温性：高温環境下でも、リン酸鉄リチウム電池の性能低下は比較的緩やかで、比較的安定した充放電容量を維持できます。そのため、高温エリアや高温環境に長時間置かれる機器でも正常に動作します。
4. 優れた環境性能：リン酸鉄リチウム電池は、コバルトやニッケルなどの希少金属を含まず、環境汚染も比較的少ないです。生産、使用、リサイクルの過程において、環境保護の要件を満たし、持続可能な開発に貢献します。
(II) デメリット
1. エネルギー密度が低い：
三元系リチウム電池と比較して、リン酸鉄リチウム電池はエネルギー密度が低いため、同じ体積または重量で蓄えられる電気エネルギーは比較的少なくなります。新エネルギー車の場合、これは車両の航続距離にある程度影響を与える可能性があり、航続距離の要件を満たすにはより大きなバッテリーパックが必要になり、結果として車両の重量とコストが増加します。
2. 比較的高いコスト：
リン酸鉄リチウム電池は、技術の進歩と大規模生産によりコストが低下してきましたが、鉛蓄電池と比較すると依然として比較的高いコストです。そのため、低価格帯の小型車など、コスト重視の用途では、普及と適用が制限される可能性があります。
3. 低温性能の低さ：
低温環境では、リン酸鉄リチウム電池の充放電性能が著しく低下し、電池容量が大幅に減少し、航続距離にも大きな影響が出ます。そのため、寒冷地での使用が制限され、低温性能を向上させるために追加の断熱材や加熱対策が必要になり、システムの複雑さとコストが増加します。
低温性能を解決するには、当社は低温機能付きのリン酸鉄リチウムイオンバッテリーが開発されました。