過去20年間にわたり、リチウムイオン (Li-ion) 化学に基づくバッテリーは、スマートフォンから電気自動車に至るまで、数多くの充電式アプリケーションの主要な選択肢となってきました。しかし、すべてのリチウムイオン電池が同じというわけではありません。環境に優しいグリーンソリューションとなると、LiFePO (LFP) バッテリーが明らかに勝者となるでしょう。
なぜニッケル水素 (NiMH) や由緒ある鉛蓄電池などの他の充電式電池ではなく、リチウムイオン電池なのでしょうか?原子番号3のリチウムは最も軽い金属です。最大の電気化学的ポテンシャルを提供し、重量あたりの比エネルギーも最大です。どちらもバッテリーにとって大きな利点です。残念ながら、金属リチウムは不安定で可燃性があり、空気や水にさらされると爆発する可能性があります。その結果、研究者たちは何年もの間、より安定したリチウム化合物をベースにした電池に注力してきました。
充電式リチウムイオン電池セルの主な構成要素は、正極（カソード）、負極（アノード）、および電解質です。カソードは、インターカレーションされたリチウム化合物、つまり充電または放電中にリチウムイオンを可逆的に包含または挿入できる層状構造で構成されています。一般的なカソード化合物には、特性の異なるものがいくつかあります。陽極は一般的にグラファイトで作られています。
液体電解質は、エチレンカーボネートやジメチルカーボネートなどの有機溶媒中のリチウム塩で構成されています。動作中、リチウムイオンは放電時にはアノードからカソードへ移動し、充電時にはその逆方向に移動します。リチウムポリマー (LiPo) バッテリーは、電解質としてポリマーゲルを使用します。
リチウムイオンの公称セル電圧は3.6Vで、NiMH (1.5 V) や鉛蓄電池 (2.0 V) よりも高くなります。その結果、EVトラクション モーターなどの用途で高電圧を生成するために直列に積み重ねる必要があるセルの数が少なくなります。
LFP – 地球にとって最良の選択
名前が示すように、LFPバッテリーはリチウムイオン由来の化学物質を使用しており、他の種類のリチウムイオン バッテリーと多くの利点と欠点を共有しています。すべてのリチウムイオン電池は製造時にエネルギーを使用し、リチウムやその他の主要原料の採掘が必要です。しかし、地球の健康に関しては、両者の間には大きな違いがあります。
リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（「NMC」）やリチウムコバルト酸化物LiCoO2などの一般的に使用されるカソードには、供給が制限され、高価なニッケルとコバルトという材料が必要です。コバルト採掘に関しては、鉱山の安全性や児童労働の使用など、人権上の懸念が依然として残っています。ニッケル採掘に伴う環境問題には、温室効果ガスの排出、生息地の破壊、空気、水、土壌の汚染などがあります。
LFPバッテリーは、カソードとしてリン酸鉄リチウム (LiFePO4) を使用し、金属裏打ちのグラファイト製のアノードと組み合わせています。LFPカソードには、豊富で低コストの鉄とリン酸などの低コストで無毒な材料が使用されています。
LiFePO4電池のグリーンアプリケーション
リチウムイオン電池の用途には、バックアップ電源やUPS、スマートフォンやノートパソコンなどの消費者向けデバイス、電気自動車、エネルギー貯蔵などがあります。
一部の用途（たとえば電気自動車）では、エネルギー密度が高く、一定のサイズでより長い走行距離につながるため、NMCバッテリーが好まれます。これは、EVのスペースが限られた環境での重要な要件です。
エネルギー貯蔵において、最も急速に増加しているニーズは、炭素排出量を最小限に抑えて電気を生成する風力や太陽光などのグリーン電力アプリケーションにおける需要と供給のバランスをとることです。
太陽光発電と風力発電の導入が急速に増加しています。グリーンエネルギー研究機関BNEFによると、太陽光発電モジュールの価格は2010年から2019年にかけて89%下落し、2030年までにさらに34%下落する見込みだ。その結果、住宅用と公共用太陽光発電設備の両方が大幅に増加した。同様に、風力エネルギーの価格も過去10年間で70%下落しました。しかし、風は常に吹いているわけではなく、太陽は常に輝いているわけでもありません。そのため、太陽光発電や風力発電の設備では、安定した電力源を提供するためにエネルギー貯蔵システムに依存しています。
エネルギー密度は、エネルギー貯蔵システムの設計者にとって最大の関心事ではありません。代わりに、温度、充電状態、負荷プロファイルなどの複数の要因に依存する長期的なバッテリー劣化など、他の要因に焦点を当てています。その他の重要な要素としては、太陽光発電や風力発電の設備の多くが遠隔地にあり、長期間放置されるため、定期的なメンテナンスが必要であることが挙げられます。
LFPバッテリーは、エネルギー貯蔵に関して鉛蓄電池や他のリチウム バッテリー技術に比べていくつかの利点があります。鉛蓄電池と比較すると、本質的に安定しており、不燃性で、ガス放出、煙、漏れがありません。寿命は鉛蓄電池の最大10倍で、総所有コスト (TCO) が低くなります。
火災の危険性は、特に住宅用PV設備においては、もう一つの重要な懸念事項です。ボーイング・ドリームライナーの火災事故や溶融した電気自動車の画像など、広く報道された事件により、熱暴走によるリチウムイオン電池の火災に対する一般の認識が高まっています。NMCなどの他のリチウムイオン電池の化学物質と比較すると、LFPの熱暴走許容度は100°F以上増加し、2つの化学物質の間に大きな安全性の違いが生じます。NMCバッテリーは、LFPバッテリーに比べて発火する可能性がかなり高くなります。同様に、通常の動作条件下では、LFPは継続的にサイクルを実行しているときに、より安定した内部温度を維持します。その結果、LFPの化学は住宅用太陽光発電貯蔵に最適です。
リサイクルのしやすさ
電池の廃棄やリサイクルは依然として重要な環境問題です。毎年300万トン以上の鉛蓄電池が廃棄されています。鉛やその他の物質を回収するために安全にリサイクルされるものもありますが、特に発展途上国では、多くが最終的に埋め立て地に捨てられ、毒素が火災や爆発を引き起こし、何世代にもわたって食料や水の供給を汚染する可能性があります。
エネルギー貯蔵や輸送に使用されるリチウム電池は寿命が長いため、これらの電池の多くは現在でも使用されており、リサイクルプロセスはまだ初期段階にあります。2019年にリサイクル可能な18万トンのリチウムイオン電池のうち、リサイクルされたのは50％のみで、残りは廃棄されました。より多くのリチウムイオン電池が寿命を迎えるにつれて、リサイクルはより効率的になります。
種類に関係なく、リチウムイオン電池はリサイクルして、電極、配線、ケースに使用されている材料を回収することができます。業界が成熟するにつれて、リサイクルされたバッテリーはより広く利用できるようになるでしょう。非毒性材料で作られた電極を備えたLiFePO4バッテリーは、鉛蓄電池や他のリチウムイオン化学物質に比べて環境に対するリスクがはるかに低くなります。
結論: LFPはバッテリーのグリーンな選択肢
あらゆる種類の電池の製造にはエネルギーと資源が必要ですが、リン酸鉄リチウム電池は資源消費と安全性の点で他の技術に比べていくつかの利点があります。風力発電や太陽光発電システムに使用すると、二酸化炭素排出量の削減に大きく貢献する可能性があります。