リチウム金属電池

リチウム金属電池は、金属リチウムを負極とする非充電式の一次電池です。この名称は、正極材料としてリチウム化金属酸化物を使用する充電式リチウムイオン電池と区別するために、金属に由来しています。 ^{[ 1 ]}ほとんどのリチウム金属電池は非充電式ですが、充電式リチウム金属電池も開発中です。2007年以降、危険物規則では、リチウム金属電池（UN 3090）とリチウムイオン電池（UN 3480）を区別しています。^{[ 2 ]}

リチウム電池は、高い充電密度と高コストという点で他の電池とは一線を画しています。設計や使用される化学化合物によっては、リチウム電池は1.5  V （亜鉛炭素電池またはアルカリ電池に相当）～約3.7V ​​

使い捨ての一次リチウム電池は、二次リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池^{[ 3 ]}とは区別されなければならない。これらは充電式電池であり、金属リチウムは含まれていない。一方、リチウム金属電池は、金属リチウムを負極として使用している点で定義される。純粋なリチウムは水や空気中の水分と瞬時に反応するが、リチウムイオン電池のリチウムは反応性の低い化合物である。

リチウム電池は、携帯型民生用電子機器に広く使用されています。「リチウム電池」という用語は、さまざまなリチウム金属化学組成の電池群を指し、多くの種類の正極と電解質を含みますが、すべて金属リチウムを負極として使用します。この電池は、 1kWhあたり0.15～0.3kg（5～10オンス）のリチウムを必要とします。これらの一次電池システムは、充電された正極を使用します。正極とは、放電中に徐々に満たされる結晶空孔を持つ電気活性材料です。

消費者向け用途で最も一般的に使用されているリチウム電池は、金属リチウムを陽極、二酸化マンガンを陰極として使用し、有機溶媒に溶解したリチウム塩を電解質として使用しています。^{[ 4 ]}

この表はリチウムイオン電池が中心であり、リチウム金属電池は中心ではありません。リチウム金属電池という特定のテーマに焦点を当てるのではなく、包括的な内容となっています。

カリフォルニア大学サンディエゴ校は、リチウム電池を-60  ℃という低温で動作させることができる電解質化学を開発しました。この電解質により、電気化学キャパシタも-80  ℃という低温で動作させることができます。従来の低温限界は-40  ℃でした。室温での高い性能は維持されます。これにより、リチウム電池と電気化学キャパシタのエネルギー密度と安全性が向上する可能性があります。^{[ 32 ]}

リチウム電池は、ペースメーカーやその他の埋め込み型電子医療機器など、長寿命で重要な多くの機器に使用されています。これらの機器には、15年以上持続するように設計された特殊なヨウ化リチウム電池が使用されています。しかし、玩具など、それほど重要ではない用途では、リチウム電池の寿命が機器本体よりも長くなる場合があります。このような場合、高価なリチウム電池は費用対効果に見合わない可能性があります。

リチウム電池は、時計やカメラなど多くの機器において、通常のアルカリ電池の代わりに使用できます。リチウム電池はアルカリ電池よりも高価ですが、寿命がはるかに長いため、電池交換の頻度を最小限に抑えることができます。ただし、通常の亜鉛電池を使用している機器にリチウム電池をそのまま置き換える場合は、リチウム電池が発生する電圧が高いことに注意する必要があります。

リチウム電池は海洋観測用途においても非常に有用であることが証明されている。リチウム電池パックは標準的な海洋観測用パックよりもかなり高価だが、アルカリ電池パックの最大3倍の容量を持つ。遠隔海洋観測機器の保守（通常は船舶による）にかかる高額な費用は、この高価格を正当化することが多い。

コンピューター業界がバッテリー容量の増加を目指す中で、わずか20～25μmの厚さしかないポリエチレンまたはポリプロピレン製の膜であるセパレーターなどの繊細な部品の限界が試されることがある 。リチウムイオン電池のエネルギー密度は、1991年の発売以来2倍以上に増加している。バッテリーに多くの材料が使用されるようになると、セパレーターにストレスがかかる可能性がある。

摂取による健康問題

ボタン電池は小さな子供にとって魅力的で、しばしば飲み込まれます。過去20年間、1年間に飲み込まれたボタン電池の総数は増加していませんが、研究者らは、飲み込んだ場合に中程度または重篤な合併症を引き起こすリスクが、過去10年間と前の10年間を比較して6.7倍、死亡率が12.5倍に増加したことを指摘しています。^{[ 47 ] [ 48 ]}

ボタン電池の誤飲による主な損傷メカニズムは、陽極で発生する水酸化物イオンによる重度の化学熱傷です。 ^{[ 50 ]}これは電池が破損していない状態での電気化学的作用であり、ケースが破損したり内容物が放出されたりする必要はありません。^{[ 50 ]}合併症には、食道狭窄、気管食道瘻、声帯麻痺、大動脈食道瘻、死亡などがあります。^{[ 51 ]}誤飲の大部分は目撃されておらず、症状は非特異的で、電池の電圧が上昇し、20～25  mm サイズのボタン電池は輪状咽頭接合部に詰まりやすく、2 時間以内に重度の組織損傷が発生する可能性があります。3  V、20  mm の CR2032 リチウム電池は、4 歳未満の子供によるボタン電池誤飲による多くの合併症に関与しています。^{[ 52 ]}

食道閉塞の唯一の治療法は内視鏡による除去ですが、フィラデルフィア小児病院のレイチェル・R・アンファング氏らが2018年に発表した研究では、電池除去前に蜂蜜またはスクラルファート懸濁液を早期かつ頻繁に摂取することで、損傷の重症度を大幅に軽減できることが分かりました。^{[ 48 ]}そのため、米国に拠点を置く国立首都中毒センター（中毒管理センター）は、既知または疑われる誤飲後には、食道、ひいてはその周辺組織への損傷のリスクと重症度を軽減するために、蜂蜜またはスクラルファートの使用を推奨しています。^{[ 53 ]}

ボタン電池は、鼻や耳に詰まると重大な壊死性損傷を引き起こすこともあります。 ^{[ 54 ]}米国では、全米ボタン電池対策本部が業界リーダーと協力して予防活動を行い、電子機器のパッケージや電池収納部の設計を変更し、子供がこれらの電池に触れる機会を減らしました。^{[ 55 ]}しかし、一般の人々や医療関係者の間では、その危険性に対する認識が依然として不足しています。セントラル・マンチェスター大学病院トラストは、「多くの医師が、これが害を及ぼす可能性があることを認識していない」と警告しています。^{[ 56 ]}

電池の廃棄とリサイクルに関する規制は地域によって大きく異なり、地方自治体は国の規制に加えて独自の要件を設けている場合があります。米国では、リチウム鉄二硫化物一次電池の製造業者の1社が、使用済み電池は米国連邦規制で規制されている物質を含んでいないため、消費者が消費する量であれば一般廃棄物として処分できると助言しています。^{[ 57 ]}しかし、ほとんどのリチウム電池は、火災の可能性があるため、有害廃棄物として分類されています。別の製造業者は、「ボタン型」リチウム電池にはカリフォルニア州で有害廃棄物として規制されている過塩素酸塩が含まれていますが、これらの電池の一般的な消費者の使用では規制量には達しないと述べています。^{[ 58 ]}

しかし、EPAは、供給量が限られており重要性が高まっているため、リチウム電池は可能な限り常にリサイクルすべきであると述べている。^{[ 59 ]}また、電池の破裂は火災の危険性があるため、EPAは一般消費者はリチウム電池を専門のリチウムまたは危険物処理施設に持ち込むべきだと述べている。

使用済みだが動作しない（つまり長期間保管された）ボタン電池の場合、正極カップ内にリチウムが残っている可能性が高いため、そのような電池から二酸化マンガンや特殊プラスチックだけでなく、商業的に有用な量のリチウムを抽出することが可能です。コスト削減のために、リチウムにマグネシウム（Mg）を合金化する企業もあります。

リチウム電池の需要は時間の経過とともに指数関数的に増加しているため、^{[ 60 ]}リチウム電池をリサイクルするためのより良い方法を見つけるための取り組みが行われています。^{[ 61 ]}

• リチウム電池の輸送に関する規制の2009年の改正
• 非充電式リチウム電池の特性
• ANSI規格に基づいたリチウム電池のブランド中立的な図面
• 塩化チオニルリチウム電池の安全データシート（MSDS）および関連する安全情報
• リチウムイオン電池およびリチウム金属電池の様々な用途における耐火性能の調査と戦術的推奨事項の派生（ドイツ語研究報告書、カールスルーエ工科大学防火技術研究センター）（PDF）
• Intercalation Station (2023年2月9日). 「リチウム金属電池の復活」 . intercalationstation.substack.com . 2023年2月9日取得。