コラム
蓄電池はどうやって電気をためている？｜しくみ・種類・材料と、家庭用がリチウムイオン電池になった理由
この記事でわかること
- 蓄電池は、充電でリチウムイオンを負極へ、放電で正極へ動かして、電気をためたり出したりしています
- リチウムイオン電池は、重さあたりにためられる電気が鉛蓄電池の約6倍で、家に置ける大きさに収まります
- 家庭用では、コバルトやニッケルを使わず、熱に強く長もちするリン酸鉄リチウムの電池を使う機種も多くあります
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壁ぎわや屋外に置かれた、エアコンの室外機ほどの箱。その中で、昼の太陽光の電気が夜まで待っています。電気は目に見えず、形もありません。それを「ためておく」とは、いったい何が起きているのでしょうか。
電気をためるしくみ
家庭用蓄電池の中身は、たくさんのリチウムイオン電池（セル）をつないだものです。1つのセルは、次の4つでできています。
| 部品 | 役割と材料 |
|---|---|
| 正極（プラス） | リチウムを含む金属の化合物。電気の通り道にアルミニウムのごく薄い箔 |
| 負極（マイナス） | リチウムイオンを出し入れできる炭素（黒鉛など）。通り道に銅のごく薄い箔 |
| 電解液 | リチウムイオンは通すが、電子は通さない液体 |
| セパレータ | プラスチックの薄い膜。正極と負極が触れてショートするのを防ぐ |
- 充電するとき太陽光の電気の力で、正極から電子が外の回路を通って負極へ送られます。同時に、リチウムイオンが電解液の中を泳いで負極へ移り、電子と一緒に負極にたまります。これが「電気がたまった」状態です。
- 使うとき負極にたまったリチウムイオンが、電解液を通って正極へ戻ります。このとき電子は外の回路を通って正極へ向かい、その流れが電流になって、冷蔵庫や照明を動かします。
つまり蓄電池は、リチウムイオンを坂の上（負極）に持ち上げておき、必要なときに下ろすような道具です。持ち上げて下ろすのを1回ぶんやったのが1サイクルで、これをどれだけくり返せるかが寿命になります（蓄電池の寿命の記事）。
電池の種類
くり返し充電できる電池（二次電池）にはいくつか種類があります。重さ1kgあたりにためられる電気の量（エネルギー密度）で比べると、違いがよく分かります。
単位はWh/kg。JST低炭素社会戦略センターの資料の値です。
| 種類 | 特徴と主な使い道 |
|---|---|
| 鉛蓄電池 | しくみが単純で材料が安い。重い。車のバッテリーなど |
| ニッケル水素電池 | 充電式の乾電池、ハイブリッド車など |
| リチウムイオン電池 | 軽くて小さい。スマホ、電気自動車、家庭用蓄電池 |
| NAS電池・レドックスフロー電池 | 工場や電力会社向けの大きな蓄電。大容量ほど割安 |
なぜ家庭用はリチウムイオン電池なのか
家庭用の蓄電池は、家の敷地に置ける大きさと重さで、毎日の充電・放電を何千回もくり返す必要があります。リチウムイオン電池は、重さあたりで鉛蓄電池の約6倍の電気をためられ、くり返しにも強い。スマホや電気自動車で大量に作られるようになり、性能が上がって価格も下がりました。この組み合わせが、家庭用で主流になった理由です。
家庭用で選ばれる「リン酸鉄リチウム」
リチウムイオン電池にも、正極の材料でいくつかの種類があります。家庭用の蓄電池でよく使われているのが、正極にリチウム・鉄・リンを使うリン酸鉄リチウム（LFP）です。
リン酸鉄リチウム（LFP）
コバルトやニッケルを使わず、材料費を抑えやすい。熱に強く、発火のリスクが低い。くり返しに強い。そのかわり、同じ重さでためられる量はやや少ない。
三元系（NMC・NCAなど）
ニッケル・コバルトなどを使い、同じ重さでたくさんためられる。電気自動車やスマホなど、軽さが大事な用途に向く。
車は軽さが走れる距離に直結しますが、家の蓄電池は動きません。少し重くても、安全で長もちするほうが大事です。米国サンディア国立研究所の試験でも、リン酸鉄系は容量80%まで2,500〜9,000サイクルと、三元系より長くもちました。
置き場所と安全のために
リチウムイオン電池の電解液は燃えやすい液体で、強い衝撃や、決められた量を超える充電・放電で内部がショートすると、急に熱くなる「熱暴走」が起きることがあります。家庭用蓄電池は、こうした状態にならないよう、電池の状態を見張って充電・放電を止める制御が組み込まれています。
- メーカーが決めた設置場所の条件（直射日光・高温・浸水のおそれ）を守っているか
- 施工するのがメーカーの施工認定を持つ会社か
- 見積もりの機種が、どの種類の電池を使っているか
ソラものさし｜太陽光・蓄電池のセカンドオピニオン
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出典・参考にした資料
- リチウムイオン電池の構造と発火のメカニズム（京都市消防局）
- 明るく豊かなゼロエミッション どうやって実現する？ 第6回（JST 低炭素社会戦略センター、2022年12月）
- LFP（リン酸鉄リチウムイオン）バッテリー（日産自動車）
- Degradation of Commercial Lithium-ion Cells as a Function of Chemistry and Cycling Conditions（Preger ほか、サンディア国立研究所）
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