Liイオン電池は、発火すると危険だ。爆発的に燃焼する映像が多数報告されている。
その原因は？　AI（Gemini）で調べてみた。
また、最近期待されている固体電池の原理も調べてみた。

電池とは？
　正極と負極と電解液中の元素とイオン。

　物質を電解液に入れると、液中への溶解（電子を失う＝イオン化＝酸化）・還元（電子獲得）で平衡電位が発生する。
　電位が異なる物質を導体でつなぐと、電位差の電池となる。
　　例：電位が低いLi（ー３V）と高いCu（＋0.3V）を組み合わせるとCuを正極とする3.3Vの電池ができる。
　　　　CuはLiより電子を引きつける力が３．３V高いのだ。CuはLiから電子を奪い取り、電線を通じてLi電極側に流す。

　電池として使う時スイッチを入れると外側のランプ点灯する、電池内では電気化学反応
　充電するときは、外部電源から逆方向の電流が流れ、電池内では逆反応が起こる

電池として動作するとき

電池の外側：　＋極からー極へ電線の中をプラスの電気が流れる。実際はマイナスの電子がーから＋へ。
電池の内側：　

  • ＋極でマイナスの電子が陽イオンに移る（陽イオンは電子を獲得し還元され元素に、水素イオンは水素ガスに）。
  • ー極では、電子が元素からー極へ移る（元素は電子を失い（＝酸化）陽イオンになり溶解、CuはCu＋＋イオンに）。陽イオンは電解液中を正極側に移動

図はソフトバンクニュースより引用

発火原因は、Liイオン電池の電解液が可燃性液体

Gemini の回答

リチウムイオン電池の電解液が「燃えやすい」。スマホやPCは「小さなガソリンスタンド」同様だと。

1. 電解液の正体：有機溶媒

　　一般的な乾電池の電解液は「水溶液（水ベース）」ですが、リチウムイオン電池は**「有機溶媒」**という油に近い液体を使用しています。

  • 主な成分: エチレンカーボネート (EC) やジメチルカーボネート (DMC) など。
  • 性質: これらは**第4類危険物（引火性液体）**に指定されており、非常に揮発性が高く、火がつきやすい性質を持っています。
  • なぜ水を使わないのか: リチウムイオン電池は電圧が高いため、水を使うと電気分解されて水素ガスが発生し、電池として機能しないからです。

2. なぜ「燃える」のか（熱暴走の仕組み）

　　通常、電解液は密閉された容器の中に安全に閉じ込められていますが、以下の状況で火災のリスクが生じます。

  • 内部短絡: 強い衝撃や鋭利なものが刺さることで、プラスとマイナスが直接つながり、火花（スパーク）が発生。
  • 熱暴走: 火花によって電解液が高温になり、分解されて可燃性ガスが発生します。
  • 噴出と引火: ガスでパンパンになった電池が破裂し、漏れ出たガスに火が移ることで、激しく燃え上がります。

3. 安全のための工夫

もちろん、メーカーもただ手をこまねいているわけではありません。以下のような多重の安全策が講じられています。

  • セパレーター: 熱くなると溶けて穴を塞ぎ、電流を止める「シャットダウン機能」があります。
  • 安全弁: 電池内部の圧力が上がりすぎた際、ガスを逃がして爆発を防ぎます。
  • 添加剤: 電解液に難燃剤を混ぜる研究も進んでいます。

注意点：捨て方に気をつけて！

　もし、お持ちのデバイスのバッテリーが膨らんでいたり、異常に熱くなったりしている場合は、すぐに使用を中止。

　ゴミ収集車やリサイクル施設での火災が急増しています。これは、「燃えないゴミ」として捨てられたリチウムイオン電池が、収集車のパッカーで潰されて発火するのが主な原因です。

 

豆知識: 最近では、電解液を液体ではなく「固体」にする全固体電池の開発が進んでいます。これが普及すれば、「燃えないリチウムイオン電池」が当たり前になるかもしれません。

固体電池の原理とは？

Gemini の回答

電解液（液体）を「固体」に置き換える全固体電池は、次世代のバッテリーとして非常に注目されています。

「液体がないのに、どうやって電気が流れるの？」。

1. 「固体」の正体は？

全固体電池で使われるのは、**「固形電解質」**と呼ばれる特殊な素材。 見た目はセラミックス（陶器のようなもの）や樹脂の粉末を固めたようなイメージ。主に2つのタイプが研究されています。

  • 硫化物系: イオンが動きやすく性能が高いが、水に触れると硫化水素が出る課題がある。
  • 酸化物系: 非常に安定していて安全だが、イオンの動きが少し遅い。

2. なぜ「固体」で機能するのか？（原理）

　リチウムイオン電池が動く原理は、リチウムイオンがプラス（正極）とマイナス（負極）の間を**「往復」**することです。

  • 液体のとき: イオンが液体の中を泳いで移動します。
  • 固体のとき: 固体の結晶構造の中に、イオンだけが通れる**「隙間（通り道）」**が設計されています。リチウムイオンがその隙間をピョンピョンと跳ねるように移動することで、電気が流れます。

3. なぜ「固体」にすることが可能なのか？

　　これまでは「固体の中をイオンが速く動くのは難しい」とされてきました。

　　近年の材料工学の進歩により、**「液体の中を動くのと同じ、あるいはそれ以上のスピードでイオンを通す固体素材」**が発見されたため、実現可能になりました。

さらに、以下のメリットが「固体化」を後押ししています。

構造がシンプルになる

  • 液体だと漏れないように頑丈な容器が必要ですが、固体なら漏れる心配がないため、薄く積み重ね（積層）やすくなります。
  • 熱に圧倒的に強い
  • 液体は高温で分解・発火しますが、固体電解質（特に酸化物系）は数百度の熱にも耐えられます。これにより、冷却装置を減らして電池全体を小型化できます。

全固体電池のメリットまとめ

項目

 従来の電池 (液体) 全固体電池
安全性 燃えやすい、液漏れあり 燃えにくい、液漏れなし
充電時間 数十分〜 数分（高速充電が可能）
寿命 劣化しやすい 劣化しにくい（長寿命）
エネルギー密度 限界に近い さらに高くできる（航続距離UP）

全固体電池は、電気自動車（EV）の航続距離を飛躍的に伸ばし、充電時間をガソリンの給油並みに短くすると期待されています。

 

全固体電池

「固体の中をイオンが液体のように（あるいはそれ以上に）速く動く」というのは、科学の世界では非常に画期的な発見でした。

その代表格であり、現在の全固体電池開発の主役となっているのが**「超イオン伝導体」と呼ばれる素材、特に「リチウム硫化物系」**の結晶材料です。

1. 鍵となる素材：LGPS

　現在、最も注目されている素材の一つが、東京工業大学の菅野了次教授らのグループが発見した**「LGPS」**（リチウム・ゲルマニウム・リン・硫黄の頭文字）という結晶材料です。

  • 化学組成: Li10GeP2S12
  • 凄さ: この素材は、常温（25℃）でのリチウムイオン伝導率が 1.2 ｘ 10^-２  S/cm 以上に達します。これは、従来の有機電解液の伝導率を上回る数値です。

2. なぜ「固体なのに速い」のか？

「固体＝イオンが動きにくい」という常識を覆した理由は、その結晶構造にあります。

　イオンの「専用高速道路」がある
　LGPSなどの超イオン伝導体の中には、リチウムイオンが通るための直線的で広いトンネルのような隙間が格子状に形成されています。

  • 液体の場合: イオンは他の分子にぶつかりながら、混雑した道を進むようなイメージです。
  • LGPSの場合: 決まったコース（トンネル）が最初から用意されており、リチウムイオンがその中を最短距離で、遮るものなくスムーズに駆け抜けます。

3. なぜ「硫黄 (S)」が使われるのか？

　全固体電池の材料に「硫化物（硫黄を含む化合物）」が多く使われるのには、物理的な理由があります。

  • 原子が大きくて柔らかい: 硫黄原子は酸素原子よりも大きく、原子同士の結びつきが「適度に緩い」です。これにより、リチウムイオンが通り抜けるための隙間が広くなりやすくなります。
  • 密着性が高い: 固体電池は、電極と電解質の「境界（界面）」がいかに隙間なくくっついているかが重要です。硫化物はプラスチックのように少し柔らかいため、ギュッとプレスするだけで密着し、イオンが移動しやすくなります。

まとめ：進化した「固体」の姿

　かつては「固体電池は出力が弱い（パワーが出ない）」と言われていましたが、このLGPSのような超イオン伝導体の登場によって、その弱点は克服されました。

最新の動向: 最近では、高価なゲルマニウム（Ge）を安価なスズ（Sn）やシリコン（Si）に置き換えた新しい材料の研究も進んでおり、コストダウンと高性能化の両立が狙われています。

この技術は、トヨタ自動車などの日本企業が世界をリードしている分野でもあります。

参考　半固体（ゲル状

エレコムが先陣を切る半固体電池モバイルバッテリー､発火リスク低減と寿命4倍の実力に迫る
https://toyokeizai.net/articles/-/935714