リチウムイオン電池が自己放電する理由：原因とその対策

リチウムイオン電池の自己放電とは、 自然な電荷／電圧の低下を指します。 電池が外部回路に接続されていない場合（すなわち、開放状態）に発生する現象です。 これはすべての電池に固有の特性ですが、その程度は異なります。リチウムイオン電池の自己放電率は比較的低いものの、依然として発生します。主な原因は以下の通りに分類されます。 これはすべての電池に固有の特性ですが、その程度は異なります。リチウムイオン電池の自己放電率は比較的低いものの、依然として発生します。主な原因は以下の通りに分類されます。

1. 避けられない化学的副反応（通常の自己放電）：

（1）SEI膜の成長と溶解：

アノード（通常は黒鉛）の表面には固体電解質界面（SEI）膜が存在する。この膜は初期の充放電時に形成され、バッテリーの正常な機能にとって重要である。しかし、SEI膜は完全に安定ではなく、特に高温下での保存中にゆっくりと溶解し再形成される。この再形成過程ではリチウムイオンと電解液が消費され、容量の低下や電圧降下を引き起こす。これはリチウムイオン電池における自己放電の主な原因の一つである。

（2）電解液の酸化／還元：

正極材料（コバルト酸リチウム（LiCoO₂）、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（NCM）、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）など）は、充電状態で高い酸化活性を示す。電解液中の溶媒（エチレンカーボネート（EC）、ジメチルカーボネート（DMC）など）および添加剤は、長時間にわたり正極の高電位にさらされることで、徐々に酸化的分解反応を起こす。同様に、負極側においてもSEI膜による保護があるものの、微量の還元的分解が進行する可能性がある。これらの酸化還元副反応により、活性リチウムイオンが消費され、容量劣化が生じる。

（3）活物質中の不純物反応 : 電極活物質や集電体に含まれる微量の不純物（金属イオン：Fe、Cu、Znなど）が、電極間で微小な局所短絡を形成したり、寄生反応に参加して電荷を消費したりする可能性がある。

2. 内部の微小短絡（製造上の欠陥または経年劣化が原因）：

(1) セパレータの欠陥： セパレータに微小なピンホール、不純物、または弱い部分があると、充放電サイクルや長期保管後に正極と負極の間に微小な電子伝導（マイクロショート）が生じ、直接的に自己放電を引き起こす可能性があります。これが異常なほど高い自己放電の主な原因です。また、セパレータはマクロレベルでは電子の伝導を防ぎイオンのみを通す構造ですが、ミクロレベルでは、電極材料自体や導電剤ネットワークが電解液を介して非常に微弱な電子漏れ経路を形成する場合があります。

(2) デンドライトの貫通： 過充電、低温での充電、または重度の劣化が生じた電池では、リチウム金属が負極表面に不均一に析出し、デンドライトを形成することがあります。鋭いデンドライトがセパレータを貫通し、正極と負極を接続することで内部短絡を引き起こします。

(3) 製造プロセス中の金属粉塵： 製造工程中に発生する金属粉塵（電極切断時に発生するものなど）が電極間やセパレータ間に残留している場合、微小な短絡を引き起こす可能性がある。完全に粉塵のない生産は不可能である。粉塵の量がセパレータを貫通し、正負極間に短絡を起こすほどではない場合は、バッテリーへの影響はそれほど大きくないが、セパレータを貫通するほど粉塵が多い場合には、バッテリーへの影響は非常に大きくなる。

3. 温度の影響：

温度は最も重要な 要因の一つです。 要因。 高温は、自己放電を促進するすべての化学反応（SEI膜の成長、電解液の分解、不純物による反応など）の速度を著しく加速し、結果として自己放電率が 急激に増加する。したがって、バッテリーの長期保管は低温で行うべきである（ただし凍結は避けること）。

4. 自己放電の影響：

容量の損失： 最も直接的な影響は、利用可能なバッテリー容量の低下です。

電圧降下： 開放回路電圧は保存期間に伴って低下します。

劣化の加速： 自己放電中の副反応（例えば、SEI膜の継続的な成長など）により、活性リチウムおよび電解液が消費され、これはそれ自体が劣化機構です。

充電状態の推定が困難になること： 自己放電のため、電圧のみに基づいて残量を正確に把握することが難しくなります。

安全上のリスク（極端な場合）： 異常に高い自己放電（深刻な内部微小短絡など）により、バッテリー温度が上昇し、熱暴走を引き起こす可能性があります。

バッテリーの自己放電に対する主な対策は以下の通りです：

（1）バッテリー設計および材料の最適化： sEI膜の安定性を向上させ、より強い酸化耐性を持つ電解液や高純度材料を開発し、セパレーターの品質を改善する。

(2) 保管条件の管理：

温度: 最も重要なこと！バッテリーは 低温 （例：10°C〜25°C、0°C以下の環境は避けてください）。

充電状態： 長期間バッテリーを保管する場合、 中程度の充電状態 （例：40%〜60%）に充電してください。満充電状態では正極により電解液の酸化が促進され、完全に放電された状態では負極に過放電による損傷が生じる可能性があります。

(3) 定期的な再充電： 長期間使用していないバッテリーについては、定期的に電圧／SOCを確認し、電力が低すぎる場合には適切な充電（例えば50%まで充電）を行って、深度放電によるバッテリーの損傷を防いでください。

(4) 製造プロセスの厳密な管理： 不純物や金属粉を低減し、セパレータの品質を確保します。

リチウムイオン電池 自己放電は主に、SEI膜の不安定性などの固有の化学副反応によって引き起こされます。 負極のSEI膜の不安定性 と 電極表面（特に正極）における電解液の緩やかな酸化／還元分解。製造上の欠陥（例えばセパレータの欠陥や不純物など）による内部の微小短絡は、異常に高い自己放電率を引き起こす可能性があります。 . 温度は自己放電率に影響を与える最大の外部要因です。 自己放電の原因を理解することで、バッテリーの使用および保管戦略の最適化が可能になり、バッテリー寿命を延ばすことができます。