こんにちは。 ミドリケムです。
本日はリチウムイオン電池について解説していこうかと思います。
リチウムイオン電池の仕組みって、
・なぜ充電できるの？
・酸化還元とどう関係あるの？
と疑問に思ったことはありませんか？
この記事では、高校化学レベルでリチウムイオン電池の原理をわかりやすく解説します。
関連記事↓↓電池と電解反応(充電と放電)の仕組み
リチウムイオン電池、皆さん一度は耳にしたことはありますよね？小さくて軽いにも関わらず、パワーがありノートパソコンやスマートフォン、さらにはドローンにも使用されている二次電池(充電可能な電池)です。
これを開発した吉野彰氏(旭化成株式会社)、ジョン・グッドイナフ氏、さらにはスタンリー・ウィッティンガム氏は2019年にノーベル化学賞を受賞しました。リチウムイオン電池のおかげでわれわれは電子機器を長時間使用できるわけですね。
やはりノーベル化学賞を受賞しただけあって、開発はそう簡単ではなく茨の道でした。順を追って解説していきます。
リチウム電池の仕組み
まずは「リチウム電池」からです。今回の記事で解説するのは「リチウムイオン電池」ですが、初めは名称にイオンがありませんでした。
皆さんリチウムLiは覚えていますか？ イオン化傾向が最も高くすぐに酸化される元素です。反応式ではLi→Li++e–です。言い換えると、とてつもなくパワーを持っています。それだけではありません。リチウムLiは原子番号3番、つまり金属の中で最も軽い金属なのです。
つまりリチウムLiは大きなパワーを持ち、しかも軽量化も可能です。これはもうパソコンやスマートフォンの電池にもってこいですね。
リチウム電池の放電は以下の図の通りです。ちなみに、リチウムは水と過激に反応するため、溶媒は基本的に有機溶媒が使用されます。
図1.リチウム電池の放電
アノード側はリチウムが酸化されてリチウムイオンに、カソード側は4価のマンガンが3価に還元され（+4→+3）、クーロン力でリチウムイオンとイオン結合します。式で示すと以下の通りです。
アノード：Li→Li++e–
カソード：2Mn(Ⅳ)O2+Li++e–→LiMn2(Ⅲ)O4
リチウム電池のデメリット(充電)
ここまでは良いんですが、問題は充電です。 充電は以下の図示の通りです。
図2.リチウム電池の充電
アノード側は放電の時と逆で3価のマンガンが4価のマンガンに酸化されます。カソード側も同様に放電の時と逆でリチウムイオンが還元されてリチウムが生成されますが、ここに問題が生じます。リチウムが樹状に伸びていき、電極が凸凹になってしまいます。充放電が繰り返されると、樹状の突起が仕切りを突き破りアノードと接触します。
その結果、電極間の間でたくさん電流が流れてしまい、内部短絡を引き起こし、発熱・発火の原因になります。リチウムはパワーを持っていますので爆発の可能性があり、かなり危険です。
そのため、リチウム電池は二次電池として使用不可です。そこで本題の「リチウムイオン電池」が登場します。
リチウムイオン電池の仕組み
リチウムイオン電池では、リチウムは金属として析出せず、層構造の中に入り込む（インターカレーション）ため安全に充放電できる二次電池です。言葉だけではわかりにくいため、放電を図示すると以下の通りです。リチウムイオンと電子の移動を図でわかりやすく表現しています。
図3.リチウムイオン電池の放電
リチウムイオン電池は電極として炭素(黒鉛)、コバルト酸リチウムを使用します。どちらの電極も層になっており、その中にリチウムイオン、及び電子が存在します。存在するだけでありリチウムイオンと電子がくっつくことはありません（つまり、Li++e–→Liという反応は起こりません）。
電子は導線を通り、コバルト酸リチウムの方に移動します。しかし、それだけでは炭素電極は+に、コバルト酸リチウム側にはーに電荷が偏ってしまいます。そのため、電荷を中和するために、リチウムイオンは仕切りを通過し、コバルト酸リチウム電極側に移動します。もちろんこちらの電極も層になっており、リチウムイオンが還元されることはありません。
充電も以下の図示の通りです。リチウムイオンと電子の移動を図でわかりやすく表現しています。
図4.リチウムイオン電池の充電
電子、及びリチウムイオンは炭素電極側に移動し元通りになるわけです。完全に放電と真逆ですね。
ここまでのポイント
・リチウム電池は危険
・リチウムイオン電池はイオン移動
です。では、リチウムイオン電池は充電できるのでしょうか？
リチウムイオン電池のメリット(なぜ充電できるのか)
そして、何度も説明していますが、リチウムイオンはリチウムに還元されないため、樹状の突起物が発生しません。よって、ショートも起こりません。
リチウムイオン電池では、リチウム金属として析出せず、電極の層構造の中に出入り（インターカレーション）します。そのため、安全に充放電を繰り返すことができます。
結論として、リチウムイオン電池は電子は外部回路、リチウムイオンは電解液中を移動して充放電を行っています。
これがリチウムイオン電池の原理です。ちなみに、コバルト酸リチウムが電極として使用できることはグッドイナフ氏が1980年に論文として報告しています。それを吉野氏がリチウムイオン電池の電極として採用したそうです。
結論
結論として
・リチウム電池は金属析出で危険
・リチウムイオン電池はイオン移動
・インターカレーションがカギ
です。表にまとめると以下の通りです。
表1.リチウム電池、リチウムイオン電池の比較
リチウムイオン電池は現在進行形で研究が進められています。パソコンやスマートフォン、あるいはドローン等、昔に比べて電力が必要となる製品が増えてきましたが、昔のパソコンやガラケーに比べると明らかにバッテリー寿命が延びていますよね。これも吉野氏を含めた旭化成株式会社の方々、または関係者の方々の努力の賜物ですね。
しかし、リチウムイオン電池もパワーがあるため、火災事故もたびたび起こっています。よく夏にニュースになりますが、最近でも時々ニュースにもなっていますよね(2025年12月７日現在)。
しかもリチウムイオン電池は有機溶媒を使用しているため、発火すると余計に危険です。
埃まみれにしない、直射日光に当てないなど、取扱には十分に注意する必要があります。
破棄する時も各自治体やリサイクルボックスに回収し、安全面だけではなく環境に優しい取り組みも必要です。リチウムイオン、コバルト酸リチウム等、貴重な資源の回収、再利用にもなります。
また、リチウムイオン電池は電気を通すプラスチックも利用されています。
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参考文献：「トコトンやさしい電気化学の本」石原顕光 著
様々な電池、電解反応について解説しています。もう少し深く理解したい方はこちら
参考文献「ノーベル化学賞に輝いた研究のすごいところをわかりやすく説明してみた」山口 悟 著
上記の書籍にもリチウムイオン電池の事が記載されていますが、こちらは初心者向けに書かれています。
本日のブログは以上です。 最後まで読んで頂きありがとうございました。
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