【保存版】知っておきたいリチウムイオン電池の正極材の特徴とトレンド

【保存版】知っておきたいリチウムイオン電池の正極材の特徴とトレンド

昨年の吉野彰さんのノーベル化学賞受賞によってリチウムイオン電池が一躍有名になりました。そのおかげで、リチウムイオン電池が使われている電気自動車やエネルギー貯蔵システムなどにも注目が集まっています。

その中でやはり中心となるのはリチウムイオン電池ですが、同じリチウムイオン電池でも使われる材料によって異なる特徴を持っています。

例えば、今のエネルギー貯蔵システムに使用されている電池の正極材は安全性と耐久性に特に優れているリン酸鉄リチウム(LFP)が主流です。一方で、EVなどに使用される電池には、安全性や耐久性はLFPよりは劣るもののエネルギー密度が高くコンパクト化しやすいニッケルマンガンコバルト酸リチウム(NMC)などの材料がメインで使用されることがほとんどです。

このように、リチウムイオン電池の特徴を決めるのは内部で使用されている材料、特に正極材と言っても過言ではありません。これらの材料の特性やコスト、供給などはリチウムイオン電池やその関連業界であるEVなどに大きく関わってきます。

そこで今回の記事では、リチウムイオン電池のニュースを読み解くうえで外せない、リチウムイオン電池の正極材の特徴とトレンドについて解説します。

リチウムイオン電池正極材一覧

材料名長所短所用途その他
LCO高電圧熱安定性が非常に低い
Coの資源リスク
耐久性が低い
低容量
モバイル機器など最初に商用化された正極材
近年はCoの資源リスクなどがありNCMへ代替が進む
LFP高熱安定性
原料が安い
高耐久性
電圧がやや低い蓄電デバイス
始動用カーバッテリー
産業機器用
中国では一部のEVなども含めて多く採用されている
LMO高出力
高熱安定性
劣化が早い
低容量
EVなど他の材料とブレンドして用いられる
NMC高電圧
高容量
熱安定性が低いEVなどLCOと比較して性能のバランスが優れている
Ni比率を高くして容量を上げるのがトレンド
EVの多くに使われている
NCA高電圧
高容量
熱安定性が低い EVなどTesla向けでパナソニックが使用
性質的にはNi比率の高いNCMに近い

代表的なリチウムイオン電池の正極材は上の表に挙げたものになります。特にニュースなどでよく耳にするのはNCM、NCA、LFPあたりです。それでは、これらの正極材についてさらに詳しく説明していきます。

LCO(コバルト酸リチウム)

まず初めに紹介するのがLCO(LiCoO2)、コバルト酸リチウムです。LCOはリチウムイオン電池の正極材の中で最初に実用化されたものです。いわば、リチウムイオン電池正極材の元祖です。

2019年度に吉野彰さんと一緒にノーベル化学賞を受賞したGoodenough教授はこのLCOがリチウムイオン電池の正極材として使えることを見出したのが大きな功績の一つです。

LCOを正極に使うことで、それまであった電池を大きく超える約4Vの電圧を出せるようになりました。一本でそれだけの電圧を出せるということがPCなどのIT機器の規格に合っていたために爆発的に普及したということは吉野彰さんも指摘しています。

そんなLCOですが、最近ではコバルトの資源の問題もありシェアは少なくなってきています。

また、LCOは容量を上げるために高い電圧で充電を行うと不安定になる(結晶構造が崩壊する)、熱安定性も低い、電池寿命が短い、そこまで容量が大きくないという問題もあり、EVなどの大型用途にはほとんど使われていません。

高電圧での充電や高温への加熱を行うとLCOの結晶構造が壊れて酸素が発生し、発火・爆発の可能性があります。いわゆる「熱暴走」と呼ばれる現象が一番起こりやすい正極材です。

特に安定性はリチウムイオン電池の安全性にも大きく関わってくるため、今後の安全性がより重視されるトレンドの中ではLCOが占める位置はそれほど多くなくなると予想されます。

LFP(リン酸鉄リチウム)

リチウムイオン電池の安全性が大きく上がるきっかけとなったのがLFPことリン酸鉄リチウム、LiFePO4です。別名オリビン鉄です。

LFPはLCOなど他の正極材と比較して、結晶構造の安定性がずば抜けて優れているため、短絡や過充電、高温などに対する耐性が高く安全性に優れた正極材です。さらに耐久性も高く電池寿命を長くしやすい材料です。

また、化学式を見ると分かるように、LFPは原料にコバルトを使っていないためコストが安く資源的な制約が受けにくいというメリットもあります。

ただし、LFPはLCOなど他の正極材と比較すると電圧が低いためややエネルギー密度が低くなり、軽量・コンパクトであることが求められる用途(モバイル用途・EVなど)には不向きです。主に蓄電デバイスや産業機器、ガソリン車の始動用バッテリー等、コンパクト性が二の次である用途に多用されています。

電気自動車でもバッテリーパックのコンパクト性を度外視したような設計にして安全性を最優先にする場合にLFP正極材を使用したリチウムイオン電池が搭載されることがあります。CATLはLFP系の電池をメインで供給しているため、その供給先のEV(主に中国系)はLFPが使われていることが多いです。

最近では、テスラの中国生産のモデルにCATLのLFPリチウムイオン電池が使用されるのではないかという報道もあります。

CATLに限らず、中国政府はリチウムイオン電池に関して安全性はかなり重視してきたため中国ではLFPを用いたリチウムイオン電池が多い傾向はあります。(それでも品質はそこまで高くないため危険なものも多いですが…)

これまではリチウムイオン電池のエネルギー密度を上げるのが主なトレンドだったため、中国以外ではLFPのシェアは縮小気味でした。しかし、今後は安全性や電池寿命の重要性が見直されてLFPに回帰する流れが出てくる可能性もあります。

ちなみに、LCOだけでなくこのLFPもGoodenough教授が最初にリチウムイオン電池の正極材として見出した材料です。Goodenough教授恐るべしです。

LMO(マンガン酸リチウム)

Goodenough教授が見出したといえば、LMOことマンガン酸リチウム、LiMn2O4も実はGoodenough教授によって発見された材料です。

日本では2019年ノーベル化学賞の際に吉野彰さんが大きくフィーチャーされましたが、リチウムイオン電池の正極材の分野ではGoodenough教授の独断場だったといっても過言ではありません。

さて、このLMOですが、容量があまり高い材料ではないので単独で用いられることはありません。

ただ、LMOの結晶構造はリチウムイオンの移動がしやすく高速で充放電を行いやすいため、EVなどに使用する正極にブレンドして使われることが多いです。また、LMOをブレンドすることで高温下での安定性も上がります。(ただし耐久性はやや下がります。)コバルトを使わないのでコストも安いです。

最近は技術の進歩が進んでLMO以外の材料でもある程度高速充放電に対応できるようになり、さらにLMOを使うと容量が下がることから今後はLMOの使用も減っていくのではないかと予測されます。

実際、そのようなトレンドはあるため資源的に高い金属は使ってなくてもLMOを生産しているメーカーは多くなく、材料のコストとしては今後上がっていく可能性はあります。

NMC(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム)

上記三つの正極材の後に登場し、電気自動車用のリチウムイオン電池に主に使われているのがNMC、ニッケルマンガンコバルト酸リチウムです。ニッケル・マンガン・コバルトの3種類の遷移金属を使用するので三元系正極材と呼ばれることも多いです。

NMCはLCO(LiCoO2)のCoの一部をNi、Mnで置き換えたものです。現在多く使われているのがNi:Mn:Co=1:1:1の「NMC111」や5:3:2の「NMC532」です。

NMCはLCOと比較して(LFPには遠く及ばないが)熱安定性は高く容量も高い、ほぼ同じくらいの高電圧、コバルトの割合が少なくコストや資源面の不安も低い、など性能面のバランスに優れた材料です。

LG化学やSAMSUNG、AESC(元日産の子会社)など、パナソニック以外の日韓のEV向けリチウムイオン電池メーカーはNMCを正極材として使用しています。

例えば日産リーフもNMCを正極材として使用したリチウムイオン電池を搭載しています。

最近ではNMCのNi比率を6~8割程度まで高くして容量をさらに上げるというのが開発のトレンドです。CATLなどはNi比率を8割まで上げたNMC(NMC811)もEV向けリチウムイオン電池の正極材として採用する予定であると一部で報道されています。

ただし、NMCはLCOと比較して熱安定性・耐久性(寿命)が高いといってもLFPとは比べ物になるレベルではありません。まだまだ安全性という観点でいえば課題はあるのがNMCです。今後は、NMCを使いながらいかに安全性・寿命を担保できるかが差別化ポイントとなり得ると考えられます。

しかも、Ni比率を高くして容量を上げるとさらに熱安定性や耐久性は落ちると言われています。やはり高容量(エネルギー密度)と安全性・耐久性は両立させるのが難しいのです。

上記のテスラがLFPリチウムイオン電池を採用するかもしれないという記事も、背景には安全性に対する懸念や耐久性を重視したいという狙いがあるのです。

NCA(ニッケル酸リチウム)

そんなテスラですが、実は現在採用しているリチウムイオン電池はNMCではないのです。

Ni比率の高いNMCに近い性質を持つ、ニッケル酸リチウム、NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)を正極材として使用したパナソニック製リチウムイオン電池を搭載しています。

NCAは容量が一般的なNMC(NMC111やNMC532)と比較しても高いため、とにかくエネルギー密度が高いリチウムイオン電池を作りやすいです。

ただし材料の合成自体も難しくコストが高めで、熱安定性も低いため取り扱いが難しいなどの理由からパナソニック以外の主要な電池メーカーでNCAを採用しているところはこれまで多くありませんでした。

そのため世界的にもNCAの生産量は多くなく、日本の住友金属鉱山以外でNCAを生産しているめぼしいメーカーはほとんどありません。住友金属鉱山にとっては独壇場ともいえます。

まとめ

ここまで、市場に出回っているリチウムイオン電池で主に使われている正極材について簡単に解説してきました。これからのトレンドを読み解くうえで特に重要なポイントとしては、

  • 安全性・耐久性に優れたLFP、高エネルギー密度のNMC(NCA)が主に使われている
  • Ni比率の高いNMC、NCAを使って高容量・高エネルギー密度化するのがトレンド
  • とはいえ、安全性・耐久性重視の流れでLFPの需要も再び高まる
  • コバルト系材料の使用はコスト・資源リスクの面から減っていく

というところでしょうか。このあたりのことが分かっていれば、リチウムイオン電池の正極材に関するニュースもより深く読み解けるはずです。

個人的には、LCO、LFP、LMOと立て続けにリチウムイオン電池の正極材を発見したGoodenough教授のすごさも知っておいてほしいところです。

今回の記事で紹介した内容をもとに、さらにリチウムイオン電池のニュースに関心を高めてもらえると幸いです。