リチウムイオン電池

リチウムイオン電池

Nokia 3310 携帯電話の3.6Vリチウムイオン電池
比エネルギー	1～270 W⋅h/kg (3.6～972.0 kJ/kg) [1]
エネルギー密度	250 ～ 693 W·h/L (900 ～ 2,490 J/cm 3 ) [2] [3]
比出力	1～10,000 W/kg [1]
充放電効率	80～90% [4]
エネルギー/消費者物価	7.6Wh/US$（132US$/kWh）[5]
自己放電率	充電状態に応じて月額0.35%～2.5% [6]
サイクル耐久性	400～1,200サイクル [7]
公称セル電圧	3.6 / 3.7 / 3.8 / 3.85 V、 LiFePO 4 3.2 V、 Li 4 Ti 5 O 12 2.3 V

リチウムイオン電池またはLiイオン電池は、 Li ⁺イオンを電子伝導性固体に可逆的に挿入してエネルギーを蓄える充電式電池の一種です。他の市販の充電式電池と比較して、Liイオン電池は、比エネルギー、エネルギー密度、エネルギー効率が高く、サイクル寿命が長く、暦寿命が長いという特徴があります。また、1991年の市場導入後、リチウムイオン電池の特性が劇的に改善されたことも注目に値します。その後30年間で、体積エネルギー密度は3倍に増加し、コストは10分の1に低下しました。^[8]

リチウムイオン電池には少なくとも 12 種類の異なる化学的性質があります。「電池の種類の一覧」を参照してください。

リチウムイオン電池の発明と商業化は、人類史上最大の技術の一つであった可能性があり、^{[9] 2019年}のノーベル化学賞で認められました。より具体的には、リチウムイオン電池は、ポータブル家電、ノートパソコン、携帯電話、電気自動車、いわゆるeモビリティ革命を可能にしました。^{[10]また、}グリッド規模のエネルギー貯蔵や軍事および航空宇宙用途 にも大きく使用されています。

リチウムイオン電池は、エネルギー密度や電力密度を最適化するように製造することができる。^[11]携帯用電子機器では、主にリチウムポリマー電池（電解質としてポリマーゲルを使用）、リチウムコバルト酸化物（LiCoO
₂）正極材料とグラファイト負極を組み合わせており、高いエネルギー密度を実現している。^{[12] [13]} リン酸鉄リチウム（LiFePO
₄）、マンガン酸リチウム（LiMn
₂お
₄ スピネル、またはLi
₂マンガン
₃ベースのリチウムリッチ層状材料（LMR-NMC）およびリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNiMnCoO
₂またはNMC）は、より長い寿命とより高い放電率を提供する可能性がある。NMCとその誘導体は、輸送の電化に広く使用されており、車両からの温室効果ガス排出量を削減するための主要な技術の1つ（再生可能エネルギーとの組み合わせ）です。^[14]

1970年代にM・スタンレー・ウィッティンガムはインターカレーション電極を考案し、二硫化チタン正極とリチウムアルミニウム負極をベースにした初の充電式リチウムイオン電池を開発したが、安全上の問題があり商品化には至らなかった。^[15] ジョン・グッドイナフは1980年にこの研究を拡張し、正極にコバルト酸リチウムを使用した。^[16]リチウム金属ではなく炭素質負極を使用する現代のリチウムイオン電池の最初のプロトタイプは、1985年に吉野彰によって開発され、 1991年に西芳雄率いるソニーと旭化成のチームによって商品化された。 ^[17] M・スタンレー・ウィッティンガム、ジョン・グッドイナフ、吉野彰はリチウムイオン電池開発への貢献により2019年のノーベル化学賞を受賞した。

リチウムイオン電池は、適切に設計・製造されていない場合、安全上の問題となる可能性があります。これは、可燃性の電解質が使用されているためです。この電解質が損傷したり、誤って充電されると、爆発や火災につながる可能性があります。安全なリチウムイオン電池の開発と製造は大きく進歩しました。^[18]可燃性の電解質を排除するために、リチウムイオン固体電池が開発されています。不適切にリサイクルされた電池は、特に有毒金属から有毒廃棄物を生成する可能性があり、火災の危険があります。さらに、電池に使用されるリチウムとその他の重要な戦略的鉱物はどちらも抽出時に重大な問題があり、リチウムは乾燥地域が多いため大量の水を必要とし、一部のリチウムイオン化学で使用される他の鉱物はコバルトなどの紛争鉱物である可能性があります。^{[本文では未検証]}両方の環境問題により、一部の研究者は鉱物の効率を改善し、リン酸鉄リチウムのリチウムイオン化学や鉄空気電池などのリチウム以外の電池化学などの代替品を見つけるようになりました。

リチウムイオン電池の研究分野には、寿命の延長、エネルギー密度の向上、安全性の向上、コストの削減、充電速度の向上などがある^{[19] [20]}。一般的な電解質に使用される有機溶媒の可燃性と揮発性に基づいて、安全性の向上への道として不燃性電解質の分野で研究が進められている。戦略には、水性リチウムイオン電池、セラミック固体電解質、ポリマー電解質、イオン液体、および高フッ素化システムが含まれる。^{[21] [22] [23] [24]}

充電式リチウムイオン電池の研究は1960年代に始まり、最も初期の例の1つはCuFである。
₂/Li電池は1965年にNASAによって開発されました。現代のリチウムイオン電池の最も初期の形を生み出した画期的な発明は、1974年にイギリスの化学者M.スタンレー・ウィッティンガムによってなされました。彼は最初に二硫化チタン（TiS
₂）を正極材料として開発し、結晶構造に大きな変化を与えることなくリチウムイオンを取り込むことができる層状構造をしています。エクソンは1970年代後半にこの電池の商品化を試みましたが、TiS
₂湿気に敏感で、有毒なHを放出します。
₂Sガスは水と接触すると爆発する。さらに問題なのは、電池に金属リチウムが含まれているため、自然発火しやすいということである。このため、そして他の理由から、エクソンはウィッティンガムのリチウムチタン二硫化物電池の開発を中止した。^[25]

1980年に、ネッド・A・ゴッドシャルら^{[26] [27] [28]}とその後すぐに水島公一とジョン・B・グッドイナフが別々のグループで研究し、さまざまな代替材料をテストした後、TiS
₂リチウムコバルト酸化物（LiCoO
₂、またはLCO）は同様の層状構造を持ちますが、より高い電圧を提供し、空気中ではるかに安定しています。この材料は後に最初の商用リチウムイオン電池に使用されましたが、それだけでは持続的な可燃性の問題を解決しませんでした。^[25]

充電式リチウムイオン電池を開発する初期の試みではリチウム金属アノードが使用されていましたが、リチウム金属は不安定でデンドライト形成を起こしやすく、短絡を引き起こす可能性があるため、安全上の懸念から最終的には放棄されました。最終的な解決策は、カソードに使用されるものと同様のインターカレーションアノードを使用することで、これにより、電池の充電中にリチウム金属の形成を防ぎます。グラファイトアノードへのリチウムイオンの可逆的なインターカレーションを最初に実証したのは、1974年のユルゲン・オットー・ベゼンハルトでした。 ^{[29] [30]}ベゼンハルトは炭酸塩などの有機溶媒を使用しましたが、これらの溶媒は急速に分解し、電池のサイクル寿命が短くなりました。その後、1980年にラシッド・ヤザミはより安定した固体有機電解質であるポリエチレンオキシドを使用しました。^{[31] [32]}

1985年、旭化成の吉野彰は、黒鉛化の程度が低い炭素である石油コークスが、構造劣化なしにLi+ /Liに対して約0.5Vの低電位でLiイオンを可逆的に挿入できることを発見した。 ^[33]その構造安定性は、層を固定するための共有結合として機能するアモルファス炭素領域に由来する。黒鉛に比べて容量は低いが（約Li0.5C6、186 mAh g–1）、サイクル安定性により、リチウムイオン電池用の最初の商用インターカレーションアノードとなった。1987年、吉野はこのアノードを使用した最初の商用リチウムイオン電池となる特許を取得した。彼は、グッドイナフが以前に報告したLiCoO _2をカソードとして使用し、炭酸エステルベースの電解質を使用した。電池は放電状態で組み立てられたため、より安全で製造コストが安くなった。 1991年、ソニーは吉野の設計を利用して世界初の充電式リチウムイオン電池の生産・販売を開始した。翌年、東芝と旭化成の合弁会社もリチウムイオン電池を発売した。^[25]

1990年代には、吉野のソフトカーボンアノードを最初はハードカーボンに、後にグラファイトに置き換えることで、エネルギー密度が大幅に向上しました。1990年、ダルハウジー大学（カナダ）のジェフ・ダーンと2人の同僚は、エチレンカーボネート溶媒（室温では固体で、他の溶媒と混合すると液体になる）の存在下でリチウムイオンをグラファイトに可逆的に挿入することを報告しました。これは、現代のリチウムイオン電池の基本設計を生み出した、その時代における最後の革新でした。^[34]

2010年、世界のリチウムイオン電池生産能力は20ギガワット時でした。^[35] 2016年には28GWhとなり、そのうち16.4GWhが中国でした。^[36] 2020年の世界の生産能力は767GWhで、そのうち75%を中国が占めています。^[37] 2021年の生産量はさまざまな情報源から200～600GWhと推定されており、2023年の予測は400～1,100GWhです。^[38]

2012年、ジョン・B・グッドイナフ、ラシッド・ヤザミ、吉野彰はリチウムイオン電池の開発により2012年IEEE環境安全技術賞を受賞しました。グッドイナフ、ウィッティンガム、吉野は「リチウムイオン電池の開発」により2019年のノーベル化学賞を受賞しました。 ^[39] ジェフ・ダーンはECS電池部門技術賞（2011年）と国際電池材料協会のイェーガー賞（2016年）を受賞しました。

2023年4月、CATLは、当時の記録である500Wh/kgを生産する半固体凝縮物質電池の生産拡大を開始すると発表した。ゲル状材料で作られた電極を使用するため、結合剤が少なくて済む。これにより、製造サイクルが短縮される。潜在的な用途の1つは、電池駆動の飛行機である。^{[40] [41] [42]}リチウムイオン電池のもう一つの新開発は、結合剤や電子伝導性添加剤を使用せず、エネルギーと電力の完全に独立したスケーリングを可能にする、酸化還元をターゲットとした固体を使用したフロー電池である。 ^[43]

一般的に、従来のリチウムイオン電池の負極は炭素から作られたグラファイトです。正極は典型的には金属酸化物またはリン酸塩です。電解質は有機溶媒中のリチウム塩です。^[44]負極（電池の放電時には陽極）と正極（放電時には陰極）はセパレーターによって短絡を防止します。^[45]電極は集電体と呼ばれる2つの金属片を介して電源回路に接続されます。^[46]

セルが充電されると、負極と正極の電気化学的役割 (陽極と陰極) が入れ替わります。それにもかかわらず、バッテリー設計の議論では、充電式セルの負極は単に「陽極」、正極は「陰極」と呼ばれることがよくあります。

_{完全にリチウム化されたLiC 6}の状態では、グラファイトの理論容量は1339クーロン/グラム（372 mAh/g）である。^[47]正極は、通常、層状酸化物（リチウムコバルト酸化物など）、ポリアニオン（リチウム鉄リン酸など）、スピネル（リチウムマンガン酸化物など）の3つの材料のいずれかである。^[48]より実験的な材料にはグラフェンを含む電極があるが、コストが高いため商業的に実現可能とは程遠い。^[49]

リチウムは水と激しく反応して水酸化リチウム（LiOH）と水素ガスを形成する。そのため、非水電解液が一般的に使用され、密閉容器はバッテリーパックから水分をしっかりと排除する。非水電解液は通常、リチウムイオンの錯体を含むエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの有機炭酸塩の混合物である。 ^[50]エチレンカーボネートは、炭素陽極上の固体電解質界面を作るために不可欠であるが、^[51]室温では固体であるため、液体溶媒（プロピレンカーボネートやジエチルカーボネートなど）が添加される。

電解質塩はほとんどの場合^[要出典] 六フッ化リン酸リチウム（LiPF
₆）、これは優れたイオン伝導性と化学的および電気化学的安定性を兼ね備えています。ヘキサフルオロリン酸 アニオンは、正極に使用されるアルミニウム集電体を不動態化するために不可欠です。チタンタブは、アルミニウム集電体に超音波溶接されています。過塩素酸リチウム（LiClO
₄）、テトラフルオロホウ酸リチウム（LiBF
₄）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（LiC
₂ふ
₆いいえ
₄S
₂）はタブレスコインセルの研究でよく使用されますが、アルミニウム集電体と互換性がないため、より大きな形式のセルでは使用できません。^[52]銅（スポット溶接された ニッケルタブ付き）は、負極の集電体として使用されます。

集電体の設計と表面処理には、電気特性を向上させるために、箔、メッシュ、フォーム（脱合金化）、エッチング（全体または選択的）、コーティング（さまざまな材料で）など、さまざまな形態があります。^[46]

材料の選択によって、リチウムイオン電池の電圧、エネルギー密度、寿命、安全性は劇的に変化する可能性があります。現在は、ナノテクノロジーを使用した新しい構造を使用して性能を向上させるための研究が行われています。関心のある分野には、ナノスケールの電極材料と代替電極構造が含まれます。^[53]

リチウムイオン電池の電気化学反応の反応物は電極材料であり、どちらもリチウム原子を含む化合物です。リチウムイオン電池に使用するために何千もの異なる材料が研究されてきましたが、商業的に使用できるのはごくわずかです。すべての市販のリチウムイオン電池は、活性物質として層間化合物を使用しています。 ^[54]負極は通常グラファイトですが、容量を増やすためにシリコンが混ぜられることがよくあります。電解質は通常、有機炭酸塩の混合物に溶解した六フッ化リン酸リチウムです。正極には、LiCoO ₂、LiFePO ₄、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物など、さまざまな材料が使用されています。

セルの放電中、負極はアノード、正極はカソードです。電子は外部回路を通ってアノードからカソードに流れます。アノードでの酸化半反応により、正に帯電したリチウムイオンと負に帯電した電子が生成されます。酸化半反応では、アノードに残る非帯電物質も生成される場合があります。リチウムイオンは電解質を通過し、電子は外部回路を通ってカソードに向かって移動し、還元半反応でカソード物質と再結合します。電解質はリチウムイオンの伝導媒体となりますが、電気化学反応には関与しません。放電中の反応によりセルの化学ポテンシャルが低下するため、放電によりセルのエネルギーが電流によって消費される場所、主に外部回路に伝達されます。

充電中、これらの反応と輸送は逆方向に進行します。電子は外部回路を通って正極から負極に移動します。セルを充電するには、外部回路が電気エネルギーを供給する必要があります。このエネルギーは、セル内に化学エネルギーとして蓄えられます (クーロン効率が1 未満の場合など、多少の損失はありますが)。

どちらの電極も、それぞれ挿入（インターカレーション）または抽出（デインターカレーション）と呼ばれるプロセスによって、リチウムイオンが構造に出入りすることを可能にします。

リチウムイオンが2つの電極の間を前後に「揺れる」ため、これらの電池は「ロッキングチェア電池」または「スイング電池」（一部のヨーロッパの業界で付けられた用語）としても知られています。^{[55] [56]}

次の式は化学反応を例示しています (左から右: 放電、右から左: 充電)。

グラファイトの負極半反応は^{[57] [58]}

${\displaystyle {\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}}$

リチウムドープ酸化コバルト基板における正極半反応は

${\displaystyle {\ce {CoO2 + Li+ + e- <=> LiCoO2}}}$

完全な反応は

${\displaystyle {\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}}$

全体的な反応には限界があります。過放電によりコバルト酸リチウムが過飽和状態になり、リチウム酸化物が生成されます^[59]。これはおそらく次の不可逆反応によって起こります。

${\displaystyle {\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}}$

5.2ボルトまでの 過充電は、X線回折によって証明されているように、コバルト（IV）酸化物の合成につながる：^[60]

${\displaystyle {\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}}$

正極の遷移金属であるコバルト（ Co ）は、 Coから還元されて^4歳以上
にCo^3歳以上
放電中にCoから酸化され^3歳以上
にCo^4歳以上
充電中。

セルのエネルギーは、電圧と電荷の積に等しい。リチウム 1 グラムは、ファラデー定数の/6.941、つまり 13,901 クーロンを表す。3 V では、リチウム 1 グラムあたり 41.7 kJ、またはリチウム 1 キログラムあたり 11.6 kWh となる。これはガソリンの燃焼熱より少し大きいが、リチウム バッテリーに使用され、エネルギー単位あたりのリチウム バッテリーの重量を何倍も重くするその他の材料は考慮されていない。

これらの反応に関与するセル電圧は、水溶液が電気分解される電位よりも大きいことに注意してください。

放電中はリチウムイオン（Li⁺
）は、非水電解質とセパレーターダイヤフラムを介して、電池セル内の負極から正極に電流を流します。 ^[61]

充電中、外部電源がセルに過電圧（セル自体の電圧よりも高い電圧）を印加し、電子を正極から負極へ流します。リチウムイオンも（電解質を介して）正極から負極へ移動し、インターカレーションと呼ばれるプロセスで多孔質電極材料に埋め込まれます。

電極層間の界面および集電体との接触部における電気接触抵抗から生じるエネルギー損失は、典型的な動作条件下では電池全体のエネルギーフローの20％にも達する可能性がある。^[62]

単一の Li-ion セルと完全な Li-ion バッテリーの充電手順は若干異なります。

• 単一のリチウムイオン電池は2段階で充電される：^{[63] [64]}

1. 定電流（CC）
2. 定電圧（CV）

• リチウムイオン電池（直列に接続されたリチウムイオンセルのセット）は、次の 3 段階で充電されます。

1. 定電流
2. バランス（使用中にセルグループのバランスが崩れた場合にのみ必要）
3. 定電圧

定電流フェーズでは、充電器は、セルあたりの充電上限電圧に達するまで、着実に増加する電圧でバッテリーに定電流を流します。

バランスフェーズでは、充電器/バッテリーは充電電流を減らします (または、平均電流を減らすために充電のオン/オフを繰り返します)。その間、個々のセルの充電状態は、バッテリーのバランスがとれるまでバランス回路によって同じレベルにされます。バランス調整は通常、1 つ以上のセルが他のセルよりも早く充電上限電圧に達したときに行われます。これは、充電サイクルの他の段階でバランス調整を行うのは一般的に不正確であるためです。これは、バランス調整するセルに瞬間的に接続された抵抗器を介して、余分な電荷を熱として消散させるパッシブ バランス調整によって最も一般的に行われます。アクティブ バランス調整はそれほど一般的ではなく、より高価ですが、より効率的で、 DC-DC コンバーターまたはその他の回路を介して余分なエネルギーを他のセル (またはパック全体) に戻します。バランス調整は、充電の定電圧段階で最も頻繁に行われ、完了するまで充電モードが切り替わります。パックは通常、バランス調整が完了したときにのみ完全に充電されます。これは、1 つのセル グループが他のセル グループよりも充電量が低い場合でも、バッテリー全体の使用可能容量がそのセル グループ自体の容量に制限されるためです。バッテリーの不均衡の程度に応じて、バランス調整には数時間から数日かかる場合があります。

定電圧フェーズでは、充電器は最大セル電圧と直列セル数を掛け合わせた電圧をバッテリーに適用し、電流は徐々に 0 に向かって減少し、最終的に電流は初期定常充電電流の約 3% の設定しきい値を下回ります。

約 500 時間に 1 回、定期的にトップ充電を行います。電圧が4.05 V/セル を下回ったときにトップ充電を開始することをお勧めします。 ^{[疑わしい–議論する]}

電流と電圧の制限に従わないと爆発につながる可能性があります。^{[65] [66]}

リチウムイオンの充電温度制限は、動作制限よりも厳しい。リチウムイオンの化学的性質は高温でも良好に機能するが、長時間熱にさらされると電池寿命が短くなる。リチウムイオン電池は低温でも良好な充電性能を示し、5～45℃（41～113℉）の温度範囲内であれば「急速充電」も可能となる。^{[67] [より良い情報源が必要]}充電はこの温度範囲内で行う必要がある。0～5℃の温度では充電は可能だが、充電電流は減らすべきである。低温（0℃未満）充電中は、内部セル抵抗による周囲温度よりわずかに温度が上昇することが有益である。充電中の高温は電池の劣化につながる可能性があり、45℃を超える温度で充電すると電池の性能が低下するが、低温では電池の内部抵抗が増大し、充電速度が遅くなり、充電時間が長くなる可能性がある。^{[67] [より良い情報源が必要]}

電池は、接続されておらず電流が供給されていない場合でも徐々に自己放電します。リチウムイオン充電式電池の自己放電率は、通常、メーカーによって1ヶ月あたり1.5～2%とされています。^{[68] [69]}

温度と充電状態に応じて、自己放電率は上昇する。2004年の研究では、ほとんどのサイクル条件において、自己放電は主に時間に依存することが判明した。しかし、開回路またはフロート充電で数か月放置すると、充電状態に依存する損失が顕著になった。自己放電率は充電状態とともに単調に増加することはなかったが、中間の充電状態ではいくらか低下した。^[70]自己放電率は、電池の経年劣化とともに増加する可能性がある。^[71] 1999年には、1か月あたりの自己放電は、21℃で8%、40℃で15%、60℃で31%と測定された。^[72] 2007年までに、月間自己放電率は2%から3%、2016年までに2 ^[6] –3%と推定された。 ^[73]

比較すると、ニッケル水素電池の自己放電率は、2017年現在、以前は一般的だったセルの最大30％/月^{[74]から、}低自己放電ニッケル水素電池では約0.08～0.33％/月まで低下し、ニッカド電池では約10％/月です。^{[引用が必要]}

リチウムイオン電池の市販正極材料には、（1）層状酸化物、（2）スピネル酸化物、（3）オキソアニオン錯体の3種類がある。これらはすべてジョン・グッドイナフとその協力者によって発見された。^[75]

LiCoO _{2 は}、1991 年にソニーが製造した最初の商用リチウムイオン電池に使用されました。層状酸化物は、2 次元のリチウムイオン拡散を可能にする層間空間で分離されたMO 6 八面体からなる層からなる擬似四面体構造です_。[要出典^{] Li x} CoO 2 の_バンド構造_により、真の電子伝導 (ポーラロン伝導ではなく)が可能になります。ただし、Co ⁴⁺ t _2g d バンドと O ^2- 2p バンドが重なるため、x は 0.5 より大きい必要があり、そうでない場合は O ₂が発生します。これにより、この材料の充電容量は約 140 mA hg ⁻¹に制限されます。^[75]

他のいくつかの第一列（3d）遷移金属も層状のLiMO _{2塩を形成する。いくつかは}リチウム酸化物とM ₂ O ₃から直接調製できる（例：M = Ti、V、Cr、Co、Ni）が、他のもの（M = MnまたはFe）はNaMO ₂からのイオン交換によって調製できる。LiVO ₂、LiMnO ₂、およびLiFeO _{2 は}、金属イオンMの八面体環境と四面体環境のエネルギー差が小さいため、構造不安定性（MサイトとLiサイト間の混合を含む）に悩まされる。このため、これらはリチウムイオン電池には使用されていない。^[75]しかし、Na ⁺とFe ^{3+ は}サイズが十分に異なるため、NaFeO _{2 は}ナトリウムイオン電池に使用できる。^[76]

同様に、LiCrO _2は、約3.2Vで170～270mAh/gの可逆的なリチウムの（脱）インターカレーションを示します。^[77]しかし、Cr ^4+の不均化とそれに続くCr ⁶⁺の四面体サイトへの転座のため、サイクル寿命は短くなります。 ^[78]一方、NaCrO _2ははるかに優れたサイクル安定性を示します。^[79] LiTiO _2は、約1.5Vの電圧でLi+の（脱）インターカレーションを示しますが、これは正極材料としては低すぎます。

これらの問題により、LiCoO
₂およびLiNiO
₂コバルトベースの正極は、リチウムイオン電池正極に唯一実用的な層状酸化物材料として知られている。コバルトベースの正極は、理論上の比充電容量（質量当たり）が高く、体積容量が大きく、自己放電が少なく、放電電圧が高く、サイクル性能が優れている。しかし、材料コストが高いという欠点がある。^[80]このため、リチウムイオン電池メーカーの間では、現在、ニッケル含有量が高くコバルト含有量が低い正極に切り替える傾向にある。^[81]

コバルトよりも低コストであることに加え、ニッケル酸化物ベースの材料は、Niの2電子酸化還元化学の恩恵を受けています。ニッケルを含む層状酸化物（ニッケル-コバルト-マンガンNCMやニッケル-コバルト-アルミニウム酸化物NCAなど）では、Niは酸化状態+2と+4の間（1段階で+3.5と+4.3 Vの間）を循環し、^{[82] [75]}コバルトは+2と+3の間を循環しますが、Mn（通常>20%）とAl（通常は5%のみ必要）^[83]はそれぞれ+4と3+に留まります。したがって、Ni含有量を増やすと循環可能な電荷が増加します。例えば、NCM111は160mAh/gを示すが、_{LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2}（NCM811 _）とLiNi0.8Co0.15Al0.05O2 （ NCA _）は_、約200mAh / g_というより高い容量を実現する。[ ₈₄ ^]

いわゆる「リチウムリッチ」カソードについては言及する価値がある。これは、従来の NCM ( LiMO ₂、M = Ni、Co、Mn) 層状カソード材料を Li:M<0.5 に相当する電圧/電荷でサイクルさせることで生成される。このような条件下では、約 0.4-0.8 電子/金属サイト電荷で、より高い電圧で新しい半可逆酸化還元遷移が発生する。この遷移には、主に O 原子を中心とした非結合電子軌道が関与する。当初大きな関心があったにもかかわらず、この現象は、このような「リチウムリッチ」相の急速な構造劣化 (O2 発生と格子再配置) のため、市場価値のある製品にはならなかった。^[85]

LiMn ₂ O _{4 は}立方格子を採用しており、これにより 3 次元のリチウムイオン拡散が可能になります。^{[86]マンガンはコバルトやニッケルよりも安価なため、マンガン正極は魅力的です。Li-LiMn} ₂ O ₄電池の動作電圧は4 V で、四面体サイトから 2 つの Mn イオンあたり約 1 つのリチウムを可逆的に抽出できるため、実用的な容量は 130 mA hg–1 未満になります。ただし、Mn ^{3+ は安定した酸化状態ではなく、不溶性の Mn 4+}と可溶性の Mn ²⁺に不均化する傾向があります。^{[80] [87]} LiMn2O4_は+ _3.0V程度の低電圧でMnあたり0.5個以上のLiを挿入することもできる。しかし、これによりMn3+:t2g3eg1のJahn-Teller歪みによる不可逆的な相転移と、Mn3 ^+の不均化と溶解が起こる。

Mnスピネルの重要な改良点は、LiMn _1.5 Ni _0.5 O ₄型の関連する立方構造であり、MnはMn4+として存在し、Niは酸化状態+2と+4の間を可逆的に循環する。^[75]この材料は、約4.7 Vで約135 mAh/gの可逆的なLiイオン容量を示す。このような高電圧は電池の比エネルギーを高めるのに有益であるが、このような材料の採用は、適切な高電圧電解質の不足によって現在妨げられている。^[88]一般に、 2023年には、Niの酸化状態+2と+4 の間を2電子循環する可能性があるため、ニッケル含有量の高い材料が好まれる。

LiV ₂ O _{4 （リチウムバナジウム酸化物）は}LiMn ₂ O ₄よりも低い（約+3.0 V）電圧で動作し、同様の耐久性の問題を抱えており、より高価であるため、実用的ではないと考えられています。^[89]

1980年頃、マンティラムは、オキソアニオン（この場合はモリブデン酸塩とタングステン酸塩）が、酸化物と比較して金属イオンの酸化還元電位を大幅に正にシフトさせることを発見しました。 ^[90]さらに、これらのオキソアニオン性カソード材料は、対応する酸化物よりも優れた安定性と安全性を提供します。しかし、酸化還元活性金属中心間の距離が長いため電子伝導性が低く、電子輸送が遅くなります。このため、小さな（200 nm未満）カソード粒子を使用し、各粒子を電子伝導性炭素の層でコーティングする必要があります。^{[91]これにより、これらの材料の}充填密度が低下します。

これまで、オキソアニオン（硫酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩）と様々な金属（主にMn、Fe、Co、Ni）の組み合わせが数多く研究されてきましたが、商品化されたのはLiFePO4だけです。層状酸化物に比べてエネルギー密度が低いため、もともとは主に定置型のエネルギー貯蔵に使用されていましたが、 ^[92] 2020年代から電気自動車に広く使用され始めました。^[93]

負極材料は伝統的にグラファイトやその他の炭素材料から作られていますが、より新しいシリコンベースの材料がますます使用されています（ナノワイヤ電池を参照）。2016年には、リチウムイオン電池の89％にグラファイト（43％が人工、46％が天然）、7％にアモルファスカーボン（ソフトカーボンまたはハードカーボン）、2％にチタン酸リチウム（LTO）、2％にシリコンまたはスズベースの材料が含まれていました。^[98]

これらの材料が使用されるのは、豊富で導電性があり、適度な体積膨張（約10％）でリチウムイオンを挿入して電荷を蓄えることができるためです。 ^[99]グラファイトは、挿入電圧が低く、性能が優れているため、主要な材料です。より高い容量を持つさまざまな代替材料が提案されていますが、通常は電圧が高く、エネルギー密度が低下します。^[100]低電圧はアノードの重要な要件です。そうでなければ、余分な容量はエネルギー密度の点で役に立ちません。

グラファイトの最大容量は 372 mAh/g に制限されているため^[47]、より高い理論容量を示す材料の開発と、現在その実装を妨げている技術的課題を克服するための研究が盛んに行われてきました。Kasavajjula らによる 2007 年の詳細なレビュー記事^{[108] は、} リチウムイオン二次電池用のシリコンベースのアノードに関する初期の研究をまとめたものです。特に、Hong Li ら^{[109] は}2000 年に、シリコンナノ粒子とシリコンナノワイヤへのリチウムイオンの電気化学的挿入により、非晶質 Li-Si 合金が形成されることを示しました。同年、Bo Gao と博士課程の指導教官である Otto Zhou 教授は、少なくとも約 900 ～ 1500 mAh/g の可逆容量を持つシリコンナノワイヤを含むアノードを備えた電気化学セルのサイクルについて説明しました^{[110] 。}

ダイヤモンドライクカーボンコーティングはリチウムベースの電池の保持容量を40％、サイクル寿命を400％向上させることができます。^[111]

リチウムアノードの安定性を改善するために、保護層を設置するいくつかの方法が提案されている。^[112]シリコンは、より多くのリチウムイオンを収容でき、最大10倍の電荷を蓄えることができるため、アノード材料として注目され始めているが、リチウムとシリコンの合金化により体積が大幅に膨張し（約400%）、^[99]セルの壊滅的な故障を引き起こす。^[113]シリコンはアノード材料として使用されているが、の挿入と抽出により材料に亀裂が生じる可能性がある。これらの亀裂によりSi表面が電解質にさらされ、分解が起こり、新しいSi表面（くしゃくしゃになったグラフェンで包まれたSiナノ粒子）上に固体電解質界面（SEI）が形成される。このSEIは厚くなり続け、利用可能なを枯渇させ、アノードの容量とサイクル安定性を低下させる。 ${\displaystyle {\ce {\scriptstyle Li+}}}$${\displaystyle {\ce {\scriptstyle Li+}}}$

リチウムイオン電池用の炭素およびシリコンベースのアノード材料に加えて、高エントロピー金属酸化物材料も開発されている。これらの変換（インターカレーションではなく）材料は、異なる機能を果たすいくつかの金属酸化物の合金（またはサブナノメートルの混合相）で構成されています。たとえば、ZnとCoは電気活性電荷貯蔵種として機能し、Cuは電子伝導性支持相を提供し、MgOは粉砕を防ぐことができます。^[114]

リチウムイオン電池の液体電解質は、 LiPFなどのリチウム塩で構成されています。
₆、LiBF
₄またはLiClO
₄リチウムイオン二次電池は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの有機 溶媒中で固体または高分子電解質によって充電される。  [ ^{115]液体電解質は、放電時に負極から正極へ陽イオンが移動する導電経路として働く。室温（20 °C（68 °F））での液体電解質の典型的な導電率は10} mS / cmの範囲で、40 °C（104 °F）で約30～40%増加し、0 °C（32 °F）でわずかに減少する。^[116]直鎖状炭酸塩と環状炭酸塩（エチレンカーボネート（EC）とジメチルカーボネート（DMC）など）の組み合わせは、高い導電率と固体電解質界面（SEI）形成能力を提供する。有機溶媒は、充電中に負極上で容易に分解する。適切な有機溶媒を電解質として使用すると、最初の充電時に溶媒が分解し、固体電解質界面と呼ばれる固体層を形成します。 ^[117]これは電気的に絶縁性ですが、イオン伝導性が非常に高くなります。界面は、2 回目の充電後に電解質がさらに分解するのを防ぎます。たとえば、エチレンカーボネートはリチウムに対して 0.7 V という比較的高い電圧で分解し、緻密で安定した界面を形成します。^[118] POE (ポリオキシエチレン) をベースにした複合電解質は、比較的安定した界面を提供します。^{[119] [120]}これは固体 (高分子) で乾式リチウムポリマーセルに適用することも、液体 (低分子量) で通常のリチウムイオンセルに適用することもできます。常温イオン液体(RTIL) は、有機電解質の可燃性と揮発性を制限するもう 1 つの方法です。^[121]

最近の電池技術の進歩では、電解質材料として固体が使用されています。これらのうち最も有望なのはセラミックです。^[122]固体セラミック電解質は主にリチウム金属酸化物で、固有のリチウムにより、リチウムイオンがより容易に固体を通過できます。固体電解質の主な利点は、液体電解質を使用する電池の重大な安全上の問題である漏れの危険がないことです。 ^[123]固体セラミック電解質は、セラミックとガラスの2つの主要なカテゴリにさらに分類できます。セラミック固体電解質は、通常イオン輸送チャネルを持つ結晶構造を持つ高度に秩序化された化合物です。 ^[124]一般的なセラミック電解質は、リチウム超イオン伝導体（LISICON）とペロブスカイトです。ガラス固体電解質は、セラミック固体電解質と同様の元素で構成された非晶質原子構造ですが、粒界での導電性が高いため、全体的に導電性が高くなります。 ^[125]ガラス電解質とセラミック電解質はどちらも、酸素を硫黄に置き換えることでイオン伝導性を高めることができます。硫黄の半径が大きく、分極能力が高いため、リチウムの伝導性は高くなります。これにより、固体電解質の伝導性は液体電解質とほぼ同等になり、ほとんどが 0.1 mS/cm 程度、最高でも 10 mS/cm になります。^[126]対象となる電解質の特性を調整する効率的で経済的な方法は、添加剤と呼ばれる第 3 の成分を低濃度で追加することです。^[127]添加剤を少量追加することで、電解質システムのバルク特性は影響を受けませんが、対象となる特性は大幅に改善されます。テストされた多数の添加剤は、次の 3 つの明確なカテゴリに分類できます。(1) SEI の化学的改変に使用されるもの、(2) イオン伝導特性を強化するために使用されるもの、(3) セルの安全性を向上させるために使用されるもの (過充電防止など)。^[要出典]

電解質の代替品も重要な役割を果たしており、例えばリチウムポリマー電池がその一例である。ポリマー電解質はリチウムのデンドライト形成を最小限に抑える効果が期待できる。ポリマーは短絡を防ぎ、導電性を維持すると考えられている。^[112]

電解質中のイオンは、電解質濃度の小さな変化により拡散する。ここでは線形拡散のみを考慮する。濃度の変化cは、時間tと距離xの関数として、

${\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}={\frac {D}{\varepsilon }}{\frac {\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}}.}$

この式で、Dはリチウムイオンの拡散係数であり、その値はLiPFでは7.5 × 10 ⁻¹⁰  m ² /s
₆電解質。電解質の多孔度εの値は0.724である。 ^[128]

リチウムイオン電池は複数のレベルの構造を持つ場合があります。小型電池は単一の電池セルで構成されています。大型電池はセルを並列に接続してモジュールを構成し、モジュールを直列および並列に接続してパックを構成します。複数のパックを直列に接続して電圧を上げることもできます。^[129]

リチウムイオン電池には様々なフォームファクタがあり、一般的に4つのタイプに分けられます。^[130]

• 小型の円筒形（ほとんどの電動自転車や電気自動車のバッテリー、古いノートパソコンのバッテリーで使用されているような、端子のない固体）で、通常は標準サイズです。
• 大型円筒形（大型ねじ端子付きソリッドボディ）
• フラット型またはポーチ型（携帯電話や最近のノートパソコンに使用されているような柔らかく平らな形状のもの。これらはリチウムイオンポリマー電池です。^[131]
• 大きなねじ端子を備えた硬質プラスチックケース（電気自動車のトラクションパックなど）

円筒形のセルは、特徴的な「スイスロール」方式（米国では「ジェリーロール」として知られています）で製造されます。つまり、正極、セパレーター、負極、セパレーターを 1 つの長い「サンドイッチ」として 1 つのスプールに巻き上げます。その結果、容器に収納されます。円筒形セルの利点の 1 つは、生産速度が速いことです。欠点の 1 つは、放電率が高い場合に放射状温度勾配が大きくなる可能性があることです。

ケースがないため、ポーチセルは重量エネルギー密度が最も高くなります。しかし、多くの用途では、充電状態（SOC）レベルが高いときに膨張を防ぐため、^[132]および一般的な構造安定性のために封じ込めが必要です。硬質プラスチックセルとポーチ型セルはどちらも、その長方形の形状から角柱セルと呼ばれることもあります。 ^[133] 2020年代の電気自動車では、円筒形セル（例：テスラ製）、角柱ポーチ（例：LG製）、角柱缶セル（例：LG、サムスン、パナソニックなど）の3つの基本的なバッテリータイプが使用されています。[ ^13]

リチウムイオンフロー電池は、正極または負極材料を水溶液または有機溶液に懸濁させることが実証されている。^{[134] [135]}

2014年時点で最小のリチウムイオン電池は、直径3.5mm、重さ0.6gのピン型で、パナソニック製であった。^[136] _{LiCoO2セルには}コイン型セルがあり、通常は「LiR」という接頭辞が付く。^{[137] [138]}

バッテリーには、温度センサー、加熱/冷却システム、電圧調整回路、電圧タップ、充電状態モニターが装備されている場合があります。これらのコンポーネントは、過熱や短絡などの安全上のリスクに対処します。^[139]

リチウムイオン電池は、家電製品、玩具、電動工具、電気自動車など、さまざまな用途に使用されています。 ^[140]

よりニッチな用途としては、通信アプリケーションにおけるバックアップ電源が挙げられる。リチウムイオン電池は、グリッドエネルギー貯蔵の潜在的な選択肢としても頻繁に議論されているが、^[141] 2020年時点では、大規模に導入した場合のコスト競争力はまだない。^[142]

比エネルギー密度	100～250Wh / kg（360～900kJ / kg）[143]
体積エネルギー密度	250～680 W·h/ L（900～2230 J/cm3 ） [ 144] [145]
比出力密度	1～10,000 W/kg [1]

リチウムイオン電池にはさまざまな正極材料と負極材料が使用できるため、エネルギー密度と電圧もそれに応じて変化します。

開放電圧は水性電池（鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など）よりも高い。 ^{[146] [検証失敗]} 内部抵抗はサイクルと経年変化で増加するが、^[147]これは電池が保管される電圧と温度に大きく依存する。^[148]内部抵抗が上昇すると、負荷がかかったときに端子の電圧が低下し、最大電流が減少する。最終的に、抵抗が増加すると、電池は許容できない電圧低下や過熱を起こさずに通常の放電電流をサポートできなくなる。

リン酸鉄リチウム正極とグラファイト負極を備えた電池の公称開回路電圧は 3.2 V、通常の充電電圧は 3.6 V です。グラファイト負極を備えたリチウムニッケルマンガンコバルト (NMC) 酸化物正極の公称電圧は 3.7 V で、充電中は最大 4.2 V です。充電手順は、電流制限回路を使用して定電圧で実行されます (つまり、セルの電圧が 4.2 V に達するまで定電流で充電し、電流がゼロに近づくまで定電圧を印加し続けます)。通常、充電は初期充電電流の 3% で終了します。以前は、リチウムイオン電池は急速充電できず、完全に充電するには少なくとも 2 時間かかりました。現在の世代のセルは 45 分以内で完全に充電できます。 2015年に研究者らは、600mAhの小型バッテリーを2分で68%の容量まで充電し、3,000mAhのバッテリーを5分で48%の容量まで充電することを実証した。後者のバッテリーのエネルギー密度は620Wh/Lである。このデバイスは、アノードにグラファイト分子に結合したヘテロ原子を採用した。^[149]

製造された電池の性能は、時とともに向上してきました。例えば、1991年から2005年にかけて、リチウムイオン電池の価格あたりのエネルギー容量は、1ドルあたり0.3Whから3Wh以上にまで、10倍以上向上しました。^[150] 2011年から2017年にかけて、進歩は年平均7.5％でした。^[151] 全体として、1991年から2018年の間に、すべてのタイプのリチウムイオンセルの価格（kWhあたりのドル単位）は約97％低下しました。^[152]同じ期間に、エネルギー密度は3倍以上になりました。^[152] エネルギー密度を高める取り組みは、コスト削減に大きく貢献しました。^[153]セルの化学的性質を改善することでも、例えばグラファイトをシリコンに完全にまたは部分的に置き換えることで、エネルギー密度を高めることができます。シリコンの早期劣化を排除するためにグラフェンナノチューブで強化されたシリコンアノードは、最大350Wh/kgという記録破りのバッテリーエネルギー密度を達成し、EVの価格を下げてICEと競争できるようにする道を開きます。^[154]

同様の化学組成を持つ異なるサイズのセルでも、エネルギー密度は異なります。21700セルは18650セルよりも50％多くのエネルギーを持ち、サイズが大きいため周囲への熱伝達が減少します。^[145]

下の表は、2021年に「高エネルギー」タイプの3.0Ah 18650 NMCセルの実験評価の結果を示しています。これは、セルに入るエネルギーと、100%（4.2V）SoCから0% SoC（カットオフ2.0V）までのセルから抽出されるエネルギーを比較した往復効率です。往復効率は、バッテリーの充電に費やされたエネルギーに対する、使用できるエネルギーの割合です。^[155]

2017年に行われた別の実験でのセルの特性評価では、2Cで往復効率が85.5%、0.1Cで97.6%と報告されている^[156]

リチウムイオン電池の寿命は、通常、容量損失またはインピーダンス上昇の観点から故障しきい値に達するまでの完全充電-放電サイクル数として定義されます。メーカーのデータシートでは通常、「サイクル寿命」という言葉を使用して、定格電池容量の 80% に達するまでのサイクル数で寿命を指定します。^[157]リチウムイオン電池を充電状態で単に保管すると、容量 (サイクル可能なLi ⁺の量) が減少し、セル抵抗が増加します (主に、アノード上の固体電解質界面が継続的に成長するため)。カレンダー寿命は、サイクルと非アクティブな保管操作の両方を含む電池のライフサイクル全体を表すために使用されます。電池のサイクル寿命は、温度、放電電流、充電電流、充電状態の範囲 (放電深度) など、さまざまなストレス要因の影響を受けます。^{[158] [159]}スマートフォン、ラップトップ、電気自動車などの実際のアプリケーションでは、電池は完全に充電および放電されないため、完全放電サイクルで電池寿命を定義すると誤解を招く可能性があります。この混乱を避けるために、研究者は累積放電^[158]を使用することがあります。これは、バッテリーの全寿命または同等の完全なサイクル中にバッテリーによって供給される総電荷量（Ah）として定義され、^[159]完全な充放電サイクルの割合としての部分サイクルの合計を表します。保管中のバッテリーの劣化は、温度とバッテリーの充電状態（SOC）によって影響を受け、フル充電（100％SOC）と高温（通常> 50°C）の組み合わせは、急激な容量の低下とガス発生につながる可能性があります。^[160]バッテリーの累積放電に定格公称電圧を掛けると、バッテリーの寿命中に供給される総エネルギーが得られます。これにより、エネルギーのkWhあたりのコスト（充電コストを含む）を計算できます。

バッテリーは寿命とともに徐々に劣化し、充電サイクル（Ah容量ともいう）が減少し、抵抗が増加します（後者は動作セル電圧の低下につながります）。^[161]

リチウムイオン電池では、サイクリング中、保管中、常時など、いくつかの劣化プロセスが発生します。^{[162] [163] [161]}劣化は温度に大きく依存します。室温での劣化は最小限ですが、高温（通常35℃以上）または低温（通常5℃未満）環境で保管または使用された電池では劣化が増加します。^[164]充電レベルが高いと容量の低下も早まります。^{[165]頻繁な過充電（> 90%）および過放電（< 10%）も}容量の低下を早める可能性があります。

ある研究では、科学者らは3D画像とモデル分析を用いて、充電サイクル中のバッテリーの劣化の主な原因、メカニズム、および潜在的な緩和策を明らかにした。彼らは「粒子の亀裂の増加と粒子と炭素バインダードメイン間の接触損失はセルの劣化と相関関係にあることが観察されている」ことを発見し、「不均衡な電子伝導によって引き起こされる厚いカソード内の反応の不均一性が、サイクル中のバッテリー劣化の主な原因である」と示唆している。^{[166] [167] [追加の引用が必要]}

リチウムイオン電池の最も一般的な劣化メカニズムは以下の通りである。^[168]

1. アノードでの有機炭酸塩電解質の還元により、固体電解質界面 (SEI) が成長し、Li ⁺イオンが不可逆的に捕捉され、リチウムの在庫が失われます。これは、オームインピーダンスの増加と Ah 電荷の減少として現れます。一定温度では、SEI フィルムの厚さ (したがって、SEI 抵抗とサイクル可能なLi ⁺の損失) は、充電状態で費やされた時間の平方根として増加します。サイクル数は、この劣化経路を特徴付ける上で有用な指標ではありません。高温下または機械的損傷がある場合、電解質の還元は爆発的に進行する可能性があります。
2. リチウム金属めっきは、リチウム在庫（サイクル可能なAh充電）の損失、およびバッテリーの内部短絡と発火も引き起こします。サイクル中にリチウムめっきが始まると、サイクルあたりの容量損失の傾斜が大きくなり、サイクルあたりの抵抗が増加します。この劣化メカニズムは、急速充電時および低温時に顕著になります。
3. サイクル中の溶解（例：Mn ³⁺種）、ひび割れ、剥離、分離、または単純な通常の体積変化による（負極または正極の）電気活性材料の損失。これは、充電と電力の両方の減衰（抵抗の増加）として現れます。正極と負極の両方の電極材料は、繰り返される（脱）リチウム化サイクルの体積ひずみにより破損する可能性があります。
4. ニッケルを多く含む材料におけるLi ⁺ /Ni ²⁺カチオン混合などのカソード材料の構造劣化。これは、「電極飽和」、サイクル可能な Ah 電荷の損失、および「電圧フェード」として現れます。
5. その他の材料の劣化。負極銅集電体は、特にセル電圧が低い場合に腐食/溶解を起こしやすくなります。PVDF バインダーも劣化し、電気活性材料が剥離し、サイクル可能な Ah 電荷が失われます。

これらは右の図に示されています。1つの主要な劣化メカニズムから別のメカニズムへの変化は、容量対サイクル数のプロットにおいて、膝（傾きの変化）として現れます。^[168]

リチウムイオン電池の劣化に関する研究のほとんどは、実験を早く終わらせるために、高温（50～60℃）で行われてきた。このような保管条件下では、完全に充電されたニッケル・コバルト・アルミニウム電池やリン酸鉄リチウム電池は、1～2年でサイクル可能な電荷の約20％を失う。これらの場合、前述のアノードの劣化が最も重要な劣化経路であると考えられている。一方、マンガンベースのカソードは、これらの条件下では（約20～50％）より速い劣化を示すが、これはおそらくMnイオンの溶解という追加メカニズムによるものと思われる。^[163] 25℃では、リチウムイオン電池の劣化は50℃での劣化と同じ経路をたどるようであるが、速度は半分である。^[163]言い換えれば、限られた外挿実験データに基づくと、リチウムイオン電池は、約100％の不可逆的な電荷の損失が予想される。 3～5年でサイクル可能充電量の20%、または25℃で1000～2000サイクルです。^[168]チタン酸塩アノードを使用したリチウムイオン電池はSEI成長の影響を受けず、グラファイトアノードよりも長持ちします（> 5000サイクル）。ただし、完全なセルでは、他の劣化メカニズム（Mn ³⁺の溶解とNi ²⁺ /Li ⁺の場所交換、PVDFバインダーの分解と粒子の剥離）が1000～2000日後に現れ、チタン酸塩アノードを使用しても実際にはセル全体の耐久性は向上しません。

これらのメカニズムのいくつかについてのより詳細な説明は以下に記載されています。

IEEE規格1188–1996では、電気自動車のリチウムイオン電池の充電容量が公称値の80%に低下したら交換することを推奨している。[ ^191]以下では、異なる研究間の比較ポイントとして20%の容量損失を使用する。ただし、劣化の線形モデル（サイクルまたは暦時間あたりの充電損失の一定%）は常に適用できるとは限らず、傾斜の変化として観察され、主な劣化メカニズムの変化に関連する「ニーポイント」がしばしば観察されることに注意する必要がある。^[192]

リチウムイオン電池の安全性の問題は、1991 年にこれらの電池が初めて商業的に発売される前から認識されていました。リチウムイオン電池の火災と爆発の 2 つの主な原因は、負極 (カソード) でのプロセスに関連しています。通常の電池充電中、リチウムイオンはグラファイトに挿入されます。しかし、充電が急速すぎる (または温度が低すぎる) と、リチウム金属がアノードにメッキされ始め、その結果生じたデンドライトが電池セパレーターを貫通してセルを内部短絡させ、高電流、加熱、発火を引き起こします。別のメカニズムでは、アノード温度が 70 °C を超える特定のしきい値を超えると、開回路でも充電アノード材料 (LiC _{6 ) と溶媒 (液体有機炭酸塩) の間で爆発反応が発生します。} ^[193]

現在、評判の良いメーカーは、18650 形式以上のすべてのリチウムイオン電池に、少なくとも 2 つの安全装置を採用しています。電流遮断 (CID) 装置と正温度係数 (PTC) 装置です。CID は、互いに電気的に接触する 2 つの金属ディスクで構成されています。セル内の圧力が増加すると、2 つのディスク間の距離も増加し、互いに電気的に接触しなくなり、電池を流れる電流が止まります。PTC 装置は導電性ポリマーで作られています。PTC 装置を流れる電流が増加すると、ポリマーが熱くなり、その電気抵抗が急激に上昇し、電池を流れる電流が減少します。^[194]

リチウムイオン電池は、可燃性の電解質を含んでおり、損傷すると加圧される可能性があるため、安全上の問題となる可能性がある。電池セルを急速に充電すると、ショートが発生し、過熱、爆発、火災につながる可能性がある。^[195]リチウムイオン電池の火災は、（1）熱的乱用、例えば冷却不良や外部火災、（2）電気的乱用、例えば過充電や外部ショート、（3）機械的乱用、例えば貫通や衝突、（4）内部ショート、例えば製造上の欠陥や経年劣化によって発生する可能性がある。^{[196] [197]}これらのリスクのため、テスト基準は酸性電解電池よりも厳しく、より広範囲のテスト条件と追加の電池固有のテストの両方が必要であり、安全規制当局によって出荷制限が課せられている。^{[65] [198] [199]}一部の企業による電池関連のリコールがあり、その中には2016年の電池火災によるサムスン ギャラクシーノート7のリコールも含まれる。^{[200] [201]}

リチウムイオン電池には可燃性の液体電解質が含まれています。^[202]不良な電池は深刻な火災を引き起こす可能性があります。^[195]不良な充電器は電池の保護回路を破壊する可能性があるため、電池の安全性に影響を与える可能性があります。0℃以下の温度で充電すると、セルの負極に純粋なリチウムがメッキされ、パック全体の安全性が損なわれる可能性があります。

バッテリーをショートさせると、セルが過熱し、発火する可能性があります。^[203]リチウムイオンバッテリーの熱暴走による煙は可燃性で有毒です。^[204]コバルト酸化物セルの火災エネルギー含有量（電気的+化学的）は約100〜150 kJ /（A·h）で、そのほとんどは化学的です。^{[信頼できない情報源？ ] [205]}

2010年頃、一部の航空機の電源システムに他の化学物質の代わりに大型のリチウムイオン電池が導入されました。2014年1月の時点で^[update]、2011年に導入されたボーイング787旅客機で少なくとも4件の深刻なリチウムイオン電池の火災または発煙が発生しており、墜落には至っていませんが、墜落する可能性がありました。^{[206] [207]} UPS航空6便は、積載していた電池が自然発火し、 ドバイで墜落しました。

火災の危険性を減らすために、不燃性の電解質を開発する研究プロジェクトが計画されています。^[要出典]

リチウムイオン電池が損傷したり、潰れたり、過充電保護のない状態で高電気負荷にさらされたりすると、問題が発生する可能性があります。外部短絡により電池が爆発する可能性があります。^[208] このような事故は、リチウムイオン電池が適切な方法で処分されず、他の廃棄物と一緒に捨てられた場合に発生する可能性があります。リサイクル会社による処理方法によっては、電池が損傷して火災を引き起こし、大規模な火災につながる可能性があります。2023年にはスイスのリサイクル施設で12件の火災が記録されました。^[209]

リチウムイオン電池は、過熱または過充電されると、熱暴走やセル破裂を起こす可能性がある。^{[210] [211]}熱暴走時には、内部の劣化と酸化プロセスによりセル温度が 500 °C 以上に上昇し、二次可燃物の発火の可能性があるほか、極端な場合には液漏れ、爆発、火災につながることもある。^[212]これらのリスクを軽減するために、多くのリチウムイオンセル（およびバッテリーパック）には、電圧がセルあたり 3～4.2 V の安全範囲外になった場合、^{[213] [74]}または過充電または放電した場合にバッテリーを切断するフェイルセーフ回路が組み込まれている。 ベンダーまたはエンドユーザーのどちらが製造したかに関係なく、効果的なバッテリー管理回路を持たないリチウムバッテリーパックは、これらの問題の影響を受けやすい。 バッテリー管理回路の設計や実装が不十分な場合も問題を引き起こす可能性があり、特定のバッテリー管理回路が適切に実装されているかどうかは不明である。

リチウムイオン電池は、2.5～3.65/4.1/4.2または4.35V（電池の部品によって異なります）の安全な範囲外の電圧範囲によってストレスを受けやすくなります。この電圧範囲を超えると、電池内の反応性部品による早期劣化や安全上のリスクが生じます。^[214]長期間保管すると、保護回路の小さな電流引き込みによって電池がシャットオフ電圧以下まで放電することがあります。この場合、通常の充電器は役に立たなくなる可能性があります。なぜなら、電池管理システム（BMS）がこの電池（または充電器）の「故障」の記録を保持する可能性があるためです。多くの種類のリチウムイオン電池は、0℃以下では安全に充電できません。^[215]これは、電池の陽極にリチウムがメッキされ、内部短絡経路などの合併症を引き起こす可能性があるためです。^[要出典]

各セルには他の安全機能が要求される^{[誰が？ ] ： [213]}

• シャットダウンセパレーター（過熱用）
• 取り外し可能なタブ（内部圧力緩和用）
• ベント（ガス放出がひどい場合の圧力緩和）
• 熱遮断（過電流/過充電/環境暴露）

これらの機能は、負極が使用中に熱を発生し、正極が酸素を生成する可能性があるために必要です。しかし、これらの追加デバイスはセル内のスペースを占有し、故障ポイントを追加し、起動時にセルを不可逆的に無効にする可能性があります。さらに、これらの機能は、水素/酸素再結合デバイスとバックアップ圧力バルブのみを必要とするニッケル水素電池と比較してコストを増加させます。 ^[74]セル内の汚染物質は、これらの安全装置を無効にする可能性があります。また、これらの機能はすべての種類のセルに適用できるわけではありません。たとえば、角柱型高電流セルには、通気口や熱遮断装置を装備することはできません。高電流セルは、過度の熱や酸素を生成してはなりません。そうしないと、故障、場合によっては激しい故障が発生する可能性があります。代わりに、アノードとカソードが熱限界に達する前に動作する内部温度ヒューズを装備する必要があります。^[216]

リチウムイオン電池の正極材料であるコバルト酸リチウムを、リン酸鉄リチウム（LFP）などのリチウム金属リン酸塩に置き換えると、サイクル数、貯蔵寿命、安全性は向上しますが、容量は低下します。2006年時点で、これらのより安全なリチウムイオン電池は、安全性が重要となる電気自動車やその他の大容量電池用途で主に使用されていました。^[217] 2016年には、LFPベースのエネルギー貯蔵システムが、台湾で最も高いロッジである玉山の排雲ロッジに設置されることが決定しました。2024年6月現在、システムは安全に稼働しています。^[218]

2006年、デル、ソニー、アップル、レノボ、パナソニック、東芝、日立、富士通、シャープのノートパソコンに使用されていたソニー製バッテリー約1,000万個がリコールされた。これらのバッテリーは製造中に金属粒子による内部汚染の影響を受けやすいことが判明した。状況によっては、これらの粒子がセパレーターを突き破り、危険な短絡を引き起こす可能性がある。^[219]

IATAは、毎年10億個以上のリチウム金属およびリチウムイオン電池が航空機に輸送されていると推定しています。 ^[205]リチウム電池の種類によっては、火災の危険性があるため、航空機への持ち込みが禁止されている場合があります。^{[220] [221]}一部の郵便局では、リチウム電池およびリチウムイオン電池を単体または機器に組み込んだ状態で航空輸送（EMSを含む）することを制限しています。

2023年現在、市販されているリチウムイオン電池のほとんどは、負極上に固体電解質界面を形成するためにアルキルカーボネート溶媒を使用しています。このような溶媒は容易に燃えるため、不燃性溶媒に置き換えるか、消火剤を追加する研究が活発に行われています。もう1つの危険源は、アルミニウム製の負極集電体を不動態化するために必要なヘキサフルオロリン酸アニオンです。ヘキサフルオロリン酸は水と反応し、揮発性で有毒なフッ化水素を放出します。ヘキサフルオロリン酸を置き換える取り組みはあまり成功していません。

1990年代、米国は世界最大のリチウム鉱物採掘国であり、総生産量の3分の1を占めていた。2010年までにチリは、アタカマ塩湖のリチウム塩水開発により、米国に代わって世界最大の採掘国となった。2024年までに、オーストラリアと中国がチリに加わり、トップ3の採掘国となる。リチウムイオン電池の生産も非常に集中しており、2024年には60%が中国から生産される予定である。^[222]

リチウム、ニッケル、コバルトの抽出、溶剤の製造、採掘副産物は、重大な環境および健康被害をもたらす。^{[224] [225] [226]} リチウムの抽出は、水質汚染により水生生物に致命的となる可能性がある。^[227]表面水汚染、飲料水汚染、呼吸器系の問題、生態系の劣化、景観の損傷を引き起こすことが知られている。^[224]また、乾燥地域では持続不可能な水消費につながる（リチウム1トンあたり190万リットル）。^[224]リチウム抽出の大量の副産物生成も、大量のマグネシウムや石灰廃棄物などの未解決の問題を引き起こす。^[228]

リチウムの採掘は南北アメリカ、アジア、南アフリカ、オーストラリア、中国で行われている。^[229]

リチウムイオン電池用のコバルトは主にコンゴで採掘されている（コンゴ民主共和国の鉱業も参照）。露天掘りのコバルト採掘はコンゴ民主共和国の森林伐採と生息地の破壊につながっている。 ^[230]

露天掘りのニッケル採掘は、フィリピンやインドネシアなどの発展途上国で環境の悪化と汚染を引き起こしている。^{[231] [232] 2024年には、ニッケルの採掘と加工が}インドネシアの森林破壊の主な原因の一つとなった。^{[233] [234]}

1kgのリチウムイオン電池の製造には約67メガジュール（MJ）のエネルギーが必要です。^{[235] [236]リチウムイオン電池製造の}地球温暖化係数は、採掘や製造業務で使用されるエネルギー源に大きく依存し、推定が困難ですが、2019年のある研究では73kg CO2e/kWhと推定されています。^[237]効果的なリサイクルにより、生産の二酸化炭素排出量を大幅に削減できます。^[238]

鉄、銅、ニッケル、コバルトを含むリチウムイオン電池の要素は、焼却炉や埋め立て地でも安全であると考えられている。^{[239] [要出典]}これらの金属はリサイクル可能であり、^{[240] [241]}通常は他の材料を燃やすことによってリサイクルされるが、^[242]一般的に採掘の方がリサイクルよりも安価である。^[243]リサイクルには1kgあたり3ドルかかる場合があり、^[244] 2019年にはリチウムイオン電池の5％未満がリサイクルされていた。^[245] 2018年以降、リサイクル収量が大幅に増加し、リチウム、マンガン、アルミニウム、電解質の有機溶媒、グラファイトの回収が工業規模で可能になった。^[246]セルの構築に関係する最も高価な金属はコバルトである。リチウムは使用される他の金属よりも安価であり、めったにリサイクルされないが、^[242]リサイクルにより将来の不足を防ぐことができる可能性がある。^[240]

電池廃棄物の蓄積は技術的な課題と健康被害をもたらす。^[247]電気自動車の環境への影響はリチウムイオン電池の生産に大きく左右されるため、廃棄物を再利用するための効率的な方法の開発が極めて重要である。^[245]リサイクルは複数のステップから成るプロセスであり、廃棄前の電池の保管から始まり、手作業によるテスト、分解、そして最後に電池部品の化学的分離が行われる。電池の再利用は、プロセスに含まれるエネルギーが少ないため、完全なリサイクルよりも好まれる。これらの電池はタイヤゴムなどの従来の自動車廃棄物よりもはるかに反応性が高いため、使用済み電池を備蓄することには大きなリスクがある。^[248]

乾式冶金法では、高温炉を使用して、バッテリー内の金属酸化物の成分を Co、Cu、Fe、Ni の合金に還元します。これは最も一般的で商業的に確立されたリサイクル方法であり、他の同様のバッテリーと組み合わせて製錬効率を高め、熱力学を改善できます。金属集電体は製錬プロセスを助け、セルまたはモジュール全体を一度に溶かすことができます。^[249]この方法の生成物は、金属合金、スラグ、ガスの集合体です。高温では、バッテリーセルをまとめるために使用されたポリマーが燃え尽き、金属合金は湿式冶金プロセスによって個々の成分に分離できます。スラグはさらに精製するか、セメント業界で使用できます。このプロセスは比較的リスクがなく、ポリマーの燃焼による発熱反応により、必要な入力エネルギーが削減されます。ただし、このプロセスでは、プラスチック、電解質、リチウム塩が失われます。^[250]

この方法では、水溶液を使用して陰極から目的の金属を除去します。最も一般的な試薬は硫酸です。^[251]浸出速度に影響を与える要因には、酸の濃度、時間、温度、固体と液体の比率、還元剤などがあります。^{[252] H} ₂ O ₂が還元剤として作用し、反応による浸出速度を速めることが実験的に証明されています。 ^{[引用が必要]}

2 LiCoO _{2 (s)} + 3 H ₂ SO ₄ + H ₂ O ₂ → 2 CoSO _{4 (aq)} + Li ₂ SO ₄ + 4 H ₂ O + O ₂

浸出後、溶液のpHレベルを変更することで沈殿反応を制御し、金属を抽出することができます。最も高価な金属であるコバルトは、硫酸塩、シュウ酸塩、水酸化物、炭酸塩の形で回収できます。[75] 最近では、浸出した金属からカソードを直接再生するリサイクル方法が試みられています。これらの手順では、浸出したさまざまな金属の濃度をターゲットカソードに合わせて事前に測定し、その後カソードを直接合成します。^[253]

しかし、この方法の主な問題は、大量の溶媒が必要であり、中和コストが高いことです。バッテリーを細断するのは簡単ですが、最初にカソードとアノードを混ぜるとプロセスが複雑になるため、それらを分離する必要もあります。残念ながら、現在のバッテリーの設計ではプロセスが非常に複雑になり、閉ループバッテリーシステムで金属を分離することは困難です。細断と溶解はさまざまな場所で発生する可能性があります。^[254]

直接リサイクルとは、電極からカソードまたはアノードを取り外し、再調整してから新しいバッテリーで再利用することです。混合金属酸化物は、結晶形態をほとんど変化させることなく、新しい電極に追加できます。このプロセスでは通常、サイクルによる劣化によりカソードで失われたリチウムを補充するために、新しいリチウムを追加します。解体されたバッテリーからカソードストリップを取得し、NMPに浸し、超音波処理して余分な堆積物を除去します。アニールする前に、LiOH/Li ₂ SO ₄を含む溶液で水熱処理します。^[255]

この方法は、原材料がコストの大部分を占めないため、非コバルトベースのバッテリーには非常に費用対効果が高い。直接リサイクルでは、時間と費用のかかる精製ステップが回避されるため、LiMn ₂ O ₄やLiFePO ₄などの低コストのカソードに最適です。これらの安価なカソードの場合、コスト、埋め込みエネルギー、およびカーボンフットプリントのほとんどは、原材料ではなく製造に関連しています。^[256]直接リサイクルにより、純粋なグラファイトと同様の特性を再現できることが実験的に示されています。

この方法の欠点は、使用済みのバッテリーの状態にあります。バッテリーが比較的健全な場合、直接リサイクルにより安価に特性を回復できます。しかし、充電状態が低いバッテリーの場合、直接リサイクルは投資に見合わない可能性があります。また、プロセスは特定のカソード組成に合わせて調整する必要があり、したがって、一度に1種類のバッテリーに合わせてプロセスを構成する必要があります。^[257]最後に、バッテリー技術が急速に発展している時代には、今日のバッテリーの設計は10年後には望ましくなくなり、直接リサイクルは効果がなくなってしまう可能性があります。

物理的物質分離は、機械的粉砕と、粒子サイズ、密度、強磁性、疎水性などのさまざまな成分の物理的特性を利用して物質を回収する。銅、アルミニウム、スチール製のケーシングは、選別によって回収できる。残りの物質は「ブラックマス」と呼ばれ、ニッケル、コバルト、リチウム、マンガンで構成されており、回収するには二次処理が必要である。^[258]

生物学的金属回収またはバイオリーチングでは、微生物を利用して金属酸化物を選択的に分解します。その後、リサイクル業者はこれらの酸化物を還元して金属ナノ粒子を生成します。バイオリーチングは鉱業で効果的に使用されていますが、このプロセスはリサイクル業界ではまだ初期段階であり、さらなる調査の機会がたくさんあります。^[258]

電解液のリサイクルは2つの段階に分かれています。回収段階では、使用済みのリチウムイオン電池から電解液を抽出します。これは、機械的なプロセス、蒸留、凍結、溶媒抽出、超臨界流体抽出によって実現できます。電解液の揮発性、可燃性、敏感性のため、回収プロセスは、リチウムイオン電池の他のコンポーネントの回収プロセスよりも困難です。次の段階は、分離/電解液再生です。分離は、電解液の個々の成分を分離することです。この方法は、リチウム塩を有機溶媒から直接回収するためによく使用されます。対照的に、電解液の再生は、ろ過法によって達成できる不純物を除去することによって電解液の組成を維持することを目的としています。^{[259] [260]}

リチウムイオン電池の 10 ～ 15 重量% を占める電解質のリサイクルは、経済的にも環境的にもメリットをもたらします。これらのメリットには、貴重なリチウムベースの塩の回収や、揮発性有機化合物 ( VOC ) や発がん物質などの有害化合物が環境に放出されるのを防ぐことが含まれます。

電極のリサイクルと比較すると、リチウムイオン電池の電解液のリサイクルはあまり重視されていません。これは、経済的利益が低く、プロセスの課題が大きいことが原因です。このような課題には、異なる電解液組成のリサイクルに伴う難しさ^[261] 、[実行中に電解液が分解して蓄積された副産物の除去]、^[262]、電極に吸着した電解液の除去などがあります。^[263]これらの課題のため、現在のリチウムイオン電池リサイクルの乾式冶金法では電解液の回収が行われず、加熱時に有害なガスが放出されます。しかし、エネルギー消費量が多く環境への影響が大きいため、将来のリサイクル方法ではこのアプローチは避けられています。^[264]

リチウムイオン電池の原材料の採掘は、地元の人々、特に陸上に住む先住民にとって危険となる可能性がある。^[265]

コンゴ民主共和国産のコバルトは、安全対策がほとんど講じられていない手工具を使って採掘されることが多く、その結果、負傷や死亡が頻繁に発生している。^[266]これらの鉱山からの汚染により、人々は有毒化学物質にさらされており、保健当局はこれが先天性欠損症や呼吸困難を引き起こすと考えている。^[267]人権活動家は、これらの鉱山では児童労働が行われていると主張しており、調査報道もそれを裏付けていると報じている^{[268] [269]}。^[270]

アルゼンチンのリチウム採掘企業と先住民族との関係に関する研究では、国家が先住民族の自由意志に基づく事前の十分な情報に基づく同意の権利を保護していなかった可能性があり、採掘企業が一般的にコミュニティの情報へのアクセスを管理し、プロジェクトや利益分配に関する議論の条件を設定していたことが示唆された。^[271]

米国ネバダ州のタッカーパスリチウム鉱山の開発は、いくつかの先住民部族から抗議や訴訟に直面している。彼らは、事前の十分な情報に基づく同意が得られず、プロジェクトが文化遺産や聖地を脅かしていると主張している。^{[272]資源採掘と}先住民女性の行方不明や殺害との関連もあって、地元コミュニティはプロジェクトが先住民女性に危険をもたらすのではないかと懸念を表明している。^[273]抗議者たちは2021年1月から鉱山予定地を占拠している。^{[274] [275]}

これらの電池は、電力密度、安全性、サイクル耐久性（電池寿命）、再充電時間、コスト、柔軟性などの特性の向上や研究方法、用途の検討が盛んに行われており、技術障壁を突破するものとして全固体電池が研究されています。現在、全固体電池は次世代電池として最も有望視されており、各社が普及に向けて取り組んでいます。

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• ブリタニカ百科事典の「リチウムイオン電池」。
• 世界最大のリチウムイオン電池工場のリスト（2020年）。
• 国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) におけるエネルギー貯蔵の安全性。
• より効率的な新しいリチウムイオン電池The New York Times . 2021年9月。
• NREL のイノベーションにより電気自動車用バッテリーの安全性が向上、NREL、2015 年 10 月。
• リチウムイオン電池の劣化メカニズムと寿命予測、NREL、2015 年 7 月。
• 車載用大型リチウムイオン電池に対する極端な温度の影響、NREL、2013 年 3 月。