燃えてしまうリチウムイオン電池、内部でいったい何が起きているのか?

急増しているモバイルバッテリーの事故。よく「発火」と報道されるが、実際は炎が天井まで吹き上がる「爆発」も珍しくない。以前から中国や韓国ではスマートフォンに搭載されたバッテリーによる事故が起きていたが、大容量のリチウムイオン2次電池(LiB)を組み込むモバイルバッテリーが出回るようになってから、航空機が全焼するといった深刻な事故が多発している。

なぜLiBによる事故が絶えないのか? それは、LiBが燃えやすい素材でできているうえ、デリケートな化学反応で動作しているからだ。

急増するモバイルバッテリー(リチウムイオン電池)の事故は、なぜ起きてしまうのか?

リチウムイオン電池の歴史と仕組み

LiBは2019年にノーベル化学賞を受賞した、旭化成の吉野彰名誉フェロー(当時)らが発明。ソニーが1991年に世界で初めて携帯電話向けに量産をはじめた。

主要材料は、陽極(カソード)と負極(アノード)という2種類の活物質と両極の短絡を防ぐセパレーター、それにリチウムイオンをやりとりする電解液。このほか活物質を強固に密着させるバインダー、活物質の機能を高める導電助剤、LiBの難燃性を高めたりする電解質への各種添加剤、正極活物質を塗布する集電体(アルミ箔)、負極活物質の集電体(銅箔)など、重要な役割を担うものがたくさんある。これらは金属缶またはアルミニウムラミネート製のパウチにパッケージされて製品になる。

正極から出たリチウムイオンが電解液を通って負極に蓄積(充電)された後、今度は逆の手順でリチウムイオンが正極に移動(放電)するのがLiBの仕組みであり、ここから電流を取り出して機器を動作させる。

LiBの高性能化と共に高まる発火リスク

LiBの性能を決める上でもっとも重要なのが正極活物質だ。コバルト酸リチウム(LCO)のようなコバルト系から、コストや大容量化に有利なニッケル・コバルト・マンガン(NCM)やニッケル・コバルト・アルミニウム(NCA)のニッケル系へと主流が変わっている。

スマートフォンもモバイルバッテリーも薄く小さくなり、それと同時にエネルギー容量の増大というユーザーニーズに応える必要がある。このため、ニッケル系のなかでもよりエネルギー密度を高めやすい「811」が増えている。これはNCMにおいてニッケルとコバルトとマンガンの比率を8:1:1と極端にニッケルリッチにしたもの(NCM-811)で、エネルギー密度を高めやすい。その反面、熱安定性が低いことから、製造も含めて安全対策が欠かせない。

小さくて軽く、それでいて大きなエネルギーを求めるほど、発火を抑える安全性の担保は難しくなっていく。これがLiB事故が大規模化している理由のひとつである。

LiB事故の引き金は、内部で育つ“針”

LiBの安全性を高めるうえで重要な役割を果たすのがポリオレフィン系フィルムを基材とするセパレーターだ。正極と負極の間にあって、両極がくっついてショート(内部短絡)し発火・爆発に至るのを防ぐ、絶縁膜の役目をもつ。

ショートの原因として、負極から正極に向かって伸びる針状の金属リチウム「デンドライト」の発生がある。スマホやモバイルバッテリーのLiBの負極には安定性が高い人造黒鉛を使うのが一般的だが、ハイエンドスマートフォンにはより多くのエネルギーを貯められるよう、シリコンを含有した負極が使われている。シリコン含有量が多いほうが機器を長時間利用できるが、一方でデンドライトは発生しやすくなる。また、急速充電時の高電流もデンドライトの成長を早めやすい。

LiBの内部で、負極から正極に向かって伸びる針状の金属リチウム「デンドライト」。米24Mテクノロジーズの動画資料より

正極に向かって成長するデンドライトはセパレーターを突き破り、ついに正極に到達してショートする。こうなると大電流が一気に流れ、熱暴走が起きて高温になり、やがて可燃性のガスに引火して燃え出す。落下などの衝撃で電極同士が接触したり、過充電によって電解液が分解しても同じことが起きる。正極の分解やケースの破壊などにより、熱暴走が連続して起きると爆発に至る。

微細孔を設けた構造のセパレーターは、リチウムイオンが両極間をスムーズに移動する伝導性を確保しつつ、デンドライトに負けない強さが必要になる。そこでフィルムを多層構造にしたり、セラミック粒子などのコーティングを施したりといった工夫が施されている。

デンドライト対策は電解液でも大きな課題であり、さまざまな添加剤をつかって負極表面の電解質界面(SEI)を強固にする、といった取り組みがなされている。

安全性の高いバッテリーはあるのか

こうしたデンドライトのリスクを抑えられるのが、電解液を使わない全固体電池だ。しかし固体電解質だからといって、デンドライトがなくなるわけではない。確かに液系LiBのほうがデンドライトは成長しやすいが、柔らかい硫化物やポリマー系の固体電解質でも成長はする。また、硬い酸化物系電解質でも割れ目からデンドライトが成長して貫通してしまう。このため、全個体電池にもセパレーターが必要とみられている。

LiB事故が多発するなか、話題を集めているのが、エレコムが2025年3月に市場投入したナトリウムイオンバッテリー(NiB)だ。LiBにくらべてエネルギー密度が小さいことからサイズは大きめになるが、発火リスクは低く、寿命も長い。安全性を訴求してどこまで普及するか、注目される。