リン酸鉄リチウムイオンバッテリーとは？メリットやデメリット・長持ちさせる方法などを解説

●リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの仕組み

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、リチウムイオンが電解液の中で正極・負極の間を移動する際に発生する電流を用いる仕組みです。正極から負極に移動した際には充電、逆の場合には放電が行われます。

基本的な仕組みは、他のリチウムイオンバッテリーとまったく違いはありません。違いは、正極にコバルトやニッケルのようなレアメタルではなく、リン酸を用いている点。性質の違いから、リチウムイオンバッテリーの長時間利用で起こりうる過放電や過充電による熱暴走のリスクを抑えているのです。

●リン酸鉄リチウムイオンバッテリーと従来のリチウムイオン電池との違い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーと三元系リチウムイオンバッテリーの主な違いは以下のとおりです。 

性能面では多くの点でリン酸鉄リチウムイオンバッテリーが優れていますが、エネルギー密度の低さから製品サイズが大きくなりやすく、製造コストも高めです。 

ただし、近年は技術の進歩により、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーのコスト・サイズのデメリットも解消されつつあります。むしろ最新のリン酸鉄リチウムイオンバッテリー搭載モデルの方が安くてコンパクトなことも。そのため、基本的にはリン酸鉄リチウムイオンバッテリー搭載モデルを優先するのがおすすめです。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、主に下記のような製品に採用されています。

・EV車

・農業・工業機械

・充電式LED機器

・モバイルバッテリー

・ポータブル電源

どのような使い方をされているのか、それぞれ詳しく見てみましょう。

①EV車

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは電気自動車のバッテリーとして採用が広がっています。中国・BYDの電気自動車はすでに大半がリン酸鉄リチウムイオンバッテリーを採用しており、テスラも一部モデルで採用。三元系と比べると同じ重量で走れる距離がやや短くなりますが、発火リスクの低さと充放電サイクルの長さが評価されています。毎日充電を繰り返す路線バスやタクシーなど業務用途での採用例も増えている状況です。

②車用バッテリー

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、アイドリングストップ車の補助バッテリーとして普及が進んでいます。従来の鉛バッテリーは1〜3年で交換が必要なケースも多い一方、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは充放電サイクルが長く自己放電も少ないため、長期的なコストを抑えられるのがメリット。重さも鉛バッテリーの3分の1程度に抑えられるので、燃費にも貢献します。

③農業・工業機械

電動トラクターや電動フォークリフトに採用されています。農業機械は夏の炎天下での作業が多く、フォークリフトは毎日充電と放電を繰り返すため、熱への安定性と充放電サイクルの長さが欠かせません。三元系では安全上の問題から採用が難しい高温環境でも安定して稼働できるのが、農業・工業機械でのリン酸鉄リチウムイオンバッテリー採用の理由です。

④充電式LED機器

工事現場や夜間の屋外作業で使う充電式LED投光器でも、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの採用が広がっています。夏の炎天下に置かれたり毎日充電したりといった過酷な使い方でも劣化しにくいためです。三元系製品より本体価格は上がるものの、交換頻度が下がるため長期的なコストは抑えられています。

⑤モバイルバッテリー

スマートフォンを毎日何度も充電するヘビーユーザー向けに、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーを搭載したモバイルバッテリーも登場しています。何百回と繰り返し充電しても劣化しにくく、購入時と同じ充電能力を長期間保ちやすい点が特長です。三元系と同容量で比べると本体がやや大きくなりますが、使用頻度が高い人ほど長寿命の恩恵を受けられます。

⑥ポータブル電源

防災・キャンプ・車中泊の普及に伴い、ポータブル電源へのリン酸鉄リチウムイオンバッテリー採用が急速に広がっています。 

キャンプや屋外イベントなどで活躍するポータブル電源は気温が高い屋外で長時間稼働するケースが多く、従来の三元系リチウムイオンバッテリーにあった「熱による発火リスク」を無視できませんでした。 

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは約600℃まで熱分解しにくく、過充電・過放電への耐性が高いため、屋外使用時の安心感が格段に上がります。充放電サイクルが2,000〜6,000回程度と長く、1台を数年以上使い続けられる点も、容量が大きく価格が高めのポータブル電源の用途と相性がよいです。

関連記事：Jackeryから10年以上使えるリン酸鉄リチウムイオンポータブル電源が登場！

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーには、従来のリチウムイオンバッテリーと比較して主に以下の6つのメリットがあります。

・寿命が長い

・自己放電率が低い

・安全性が高い

・耐久温度が高い

・環境にやさしい

・原材料価格が安い

それぞれ詳しく見ていきましょう。

メリット①：寿命が長い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、従来のリチウムイオンバッテリーと比較して圧倒的な長寿命を実現しています。バッテリーの寿命を表す「サイクル回数（フル充電して繰り返し使える回数）」で、もっともメジャーな三元系リチウムイオンバッテリーと比較してみましょう。

参考：Jackeryのポータブル電源

※繰り返しフル充電して使って70％以上の最大容量を維持できる回数

三元系リチウムイオンバッテリーの倍以上のサイクル回数となっており、繰り返し使える回数がはるかに多いです。つまり「長寿命により長く使えるため、買い替えの頻度が低くなりコストを抑えられる」のが使用者にとってのメリットといえます。

メリット②：自己放電率が低い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、放置していると勝手に放電してしまう電力量の割合を示す「自己放電率」が従来製品よりはるかに低いです。例えば、自動車などに搭載されている「鉛バッテリ」の場合、1ヶ月放置すると約20％の電力が減ってしまう場合があります。

しかしリン酸鉄リチウムイオンバッテリーなら、同じ条件でも1パーセントほどしか電力が減りません。そのためオフシーズンにまったく使わない農業機械や、防災のために放置しているポータブル電源でも「使いたい」と思ったときにすぐ取り出して使えます。

メリット③：安全性が高い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは安全性の高さが大きなメリットです。従来のリチウムイオンバッテリーに使用されているコバルト・ニッケル・マンガンは、220℃以上で熱分解を起こしてしまうため、極端な高温環境や想定外の長時間利用はおすすめしません。

しかしリン酸鉄リチウムイオンバッテリーに使われるリン酸は、リン・酸素間の結合が非常に強いため、600℃に到達するまでほとんど熱分解が起こりません。高温環境でも安定して動作し、安全に利用できるというわけです。

メリット④：耐久温度が幅広い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、耐久温度が幅広い点も大きなメリットです。先述したように高温環境での安定性が高いのはもちろん、低温環境への強さも備えています。

従来の三元系リチウムイオンバッテリーは氷点下で保存できても－10℃ほどまでが限界でした。しかしリン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、－20℃の低温環境でも保存できます。寒冷地で今まで以上に活躍するでしょう。

メリット⑤：環境にやさしい

環境にやさしい点もリン酸鉄リチウムイオンバッテリーのメリットです。実は従来のリチウムイオンバッテリーに使われるコバルト・ニッケルなどのレアメタルの採掘には、土・空気・水などの環境汚染を伴います。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーにもレアメタルであるリチウムを使用するので、環境汚染は0ではありませんが、多数のレアメタルを使用する従来の製品よりは、圧倒的に環境汚染のリスクを軽減できるでしょう。

メリット⑥：原材料価格が安い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは原材料価格が安い点もメリットです。レアメタルは「レア」というだけあり、希少性が高く価格も相応に高いものとなっています。それに対してリン酸鉄は普遍的な原材料のみで生成できるので、圧倒的にコストを抑えられるのです。

ただし現時点では、バッテリー化する工程にコストがかかっているため、最終的に消費者の手に渡る製品価格は少し高め。今後、技術の進歩によるさらなる低コスト化が期待されます。

 関連記事：リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの充電方法を徹底解説！寿命を延ばす使い方も 

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーには、現時点で明確なデメリットが2つあります。

・エネルギー密度が低い

・製品価格が高め

メリットだけでなく、デメリットについてもぜひ知っておきましょう。

デメリット①：エネルギー密度が低い

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、エネルギー密度が低い（＝容量あたりの体積が大きい）という欠点があります。難解な化学的根拠は割愛しますが、大まかにいうと「これ以上に圧縮できない」からです。エネルギー密度が低いので、最終的な製品のサイズがどうしても大きくなります。

デメリット②：製品価格が高め

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーを使用した製品は、価格が高めです。先述したように原材料は大きく抑えられますが、最終的なバッテリー化の工程に大きなコストがかかってしまいます。

もうひとつの価格を上げている要因が特許料です。現在、リン酸鉄リチウムの基本特許をアメリカのテキサス大学が有しており、さらに製造の過程でカーボンコーティングする工程の特許はあるカナダ人が持っています。製造のための安くはない特許料が、最終的な製品価格を押し上げる原因となっています。