リチウムイオン電池の「正極材」の種類と特徴を化学的に説明｜有力な正極材メーカーも紹介

リチウムイオン電池の性能は主に正極材によって決まっているといってもいいくらい、正極材は重要な部材です。正極材によって、リチウムイオン電池の電圧、エネルギー密度、電流出力（パワー）、安定性、寿命、コストが決まります。この記事では、リチウムイオン電池の正極材の種類と特徴を化学的に説明し、有力な正極材メーカーも紹介します。

正極材の種類と特徴

リチウムイオン電池の部材の中で、正極材は電圧やエネルギー密度を決定し、電池コストの大半を占める重要な部材です。

電圧は、負極と正極の酸化還元エネルギー差によって決まります。電圧を高くするためには、正極のエネルギー準位を低くし、負極のエネルギー準位を高くする必要があります。リチウム金属を負極に使用すると電圧を高くできることがわかっていますが、リチウム金属を使用した場合は放電/充電を繰り返すうちにリチウム負極上にデンドライトが成長して短絡するリスクがあります。そのため実用化されているリチウムイオン電池の負極はほとんどがグラファイトです。負極がグラファイトで固定されているため、正極にどんな材料を使用するかで電圧やエネルギー密度が決まります。

下のエネルギー準位図を見るとわかるように、負極のグラファイトとのエネルギー差を大きくするためには、正極にはエネルギー準位の低い材料を選ぶ必要があります。その結果、電池にした際の電圧の大きさはLiCoO₂ > LiNiO₂ > LiMnO₂ > TiO₂の順になります。

リチウムを挿入することができる酸化物正極材は、層状、スピネル、およびオリビンに分類されます。

層状酸化物とスピネル酸化物はどちらも良好な電子伝導性を示しますが、オリビン酸化物は電子伝導性が低いです。そのためオリビン酸化物は小さい粒子として合成し、導電性カーボンでコーティングして電子伝導性を高める必要があります。その影響でオリビン酸化物は処理コストが増加し、性能にばらつきが生じることがあります。

層状酸化物とスピネル酸化物は高密度の最密充填構造を持っていますが、オリビン酸化物は一般に体積エネルギー密度が低く、炭素でコーティングするためさらに体積エネルギー密度が低くなります。

一方、オリビン酸化物は層状およびスピネル酸化物よりも構造安定性が高いため充放電速度を高くできる特徴があります。

• 層状：LiCoO₂（LCO）、LiNiO₂（LNO）、LLiNi_xMn_yCo_zO₂（NMC）
• スピネル：LiMn₂O₄（LMO）、LiMn_xNi_yO₄（LMN）
• オリビン：LiFePO₄（LFP）

代表的な正極材の特徴を示します。EV用のリチウムイオン電池正極材は、以前はNMC系使用されることが多かったですが、徐々にリン酸鉄リチウムのシェアが増加しました。さらに将来は2023年に量産化可能になったリン酸マンガン鉄リチウムが取って代わる可能性があります（参考：電子デバイス新聞）。リチウムイオン電池は活発に新技術の開発が進められています。

LiCoO2（LCO）

LCOは高電圧で、コバルト-酸素の結合エネルギーが大きいためサイクル安定性や熱安定性が高いです。デメリットはコバルトのコストが高いことです。

LiNixMnyCozO2（NMC）

NMCは一般式LiNi_xMn_yCo_zO₂（x+y+z=1）で表され、LiCoO₂のコバルトの一部をニッケルとマンガンで置き換えた化合物です。コバルト、ニッケル、マンガンにはそれぞれ特徴的な性能への影響があります。

コストの高いコバルトを減らして電気容量を高くできるニッケルを増やす方向の研究開発が盛んですが、ニッケル含有量が高い層状酸化物には、サイクル不安定性、熱不安定性、空気不安定性という3つの重大な課題があります。

Parameter	Trend
化学的安定性	Mn > Ni > Co
構造的安定性	Co > Ni > Mn
電子伝導性	Co > Ni > Mn
入手容易性（コストの低さ）	Mn > Ni > Co

LiMn2O4（LMO）

LMOはコバルトを使用していないためコストが下がりますが、電解液中にppmレベルのH⁺イオンが存在すると溶解するため安定性に課題があります。

正極材メーカー

主要なリチウムイオン電池メーカーと使用している正極材を示します。2024年時点で中国電動車市場の5割はLFPだと言われています。CATLはLFPのFeをMg、Zn、Alに置き換えたM3Pを開発しています。また、Gotion Hi-techは2023年にLMFPの量産化に初めて成功しました。今後はLMFP、M3P、LFPなどのオリビン系が優勢になりそうです。

メーカー	セルタイプ	正極材
CATL	角型、円筒型、ラミネート型	NMC、LFP、M3P
BYD	角型、円筒型	LFP、LMFP
LGエナジーソリューション	ラミネート型、円筒型	NMC、NMCA
パナソニック	円筒型	NCA
サムスンSDI	角型、円筒型	NMC
SKオン	ラミネート型	NMC
Gotion Hi-tech	角型、ラミネート型	LFP、NMC、LMFP
AESCジャパン	ラミネート型	NMC
プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ	角型	NMC
プライムアースEVエナジー	角型	NMC

まとめ

この記事では、リチウムイオン電池の正極材の種類と特徴を化学的に説明し、有力な正極材メーカーも紹介しました。

関連書籍

この本は、電池に関する基本的な解説から始まり、リチウムイオン電池などの二次電池の特徴や次世代電池の概要をわかりやすく説明しています。専門的な知識がない人でも理解しやすく書かれています。また幅広い範囲の内容を取り上げています。専門用語も易しく解説されており、電子やイオンの移動など、電池の基礎的な原理について詳しく説明されています。安全性や課題に関する内容も包括的に扱われており、リチウムイオン電池だけでなく、レドックスフロー電池やナトリウムイオン電池、全固体電池などの多様な電池技術についても解説があります。化学式などの難解な部分も分かりやすく説明されており、読者が容易に理解できるよう配慮されています。

この本は電池に関する幅広いトピックを丁寧に記載しており、電池の歴史、種類、構造、データに基づく反応、製造方法などが詳しく説明されています。電池についての基本知識を持たない素人でも理解できる内容です。また、一般にはあまり知られていないリチウムイオン電池の安全試験などの情報も含まれており、非常に有用な本と言えます。さらに、電池材料開発の基礎的な考え方も包括的に説明されています。本書はリチウムイオン電池の基本から充放電技術、安全性まで具体的に解説されており、学術的な難解さではなく実務的な内容に焦点が当てられています。ただし、本書は一般的な内容に焦点を当てており、最新の開発的技術については別の情報源を探す必要があるかもしれません。しかし、他の一般的な本とは異なる視点で、読者にとって有益な情報源になります。

この本は、リチウムイオン電池・全固体電池における活物質粒子や電極の作製方法、粒子や電極の構造分析や解析方法、電池の出力特性の評価方法などについて詳しく説明しています。その内容は、電池分野に経験がある人にとっては理解しやすく、特に企業の若手研究者にとっては有益な情報源となるでしょう。また、化学系の学生には問題ない内容ですが、電気系や機械系の学生には材料分析や電気化学の知識が必要です。特に、固体電池に関心がある場合はこの本を購入することをお勧めします。具体的なリチウムイオン電池の構成材料やプロセス技術、評価方法について網羅されており、特に電極活物質に関する詳細な情報が提供されています。ただし、バインダーやセパレーターに関する情報は限られているため、関連書籍が必要です。電極活物質の研究に従事している人には非常に役立つ内容です。

参考文献

• A retrospective on lithium-ion batteries（https://doi.org/10.1038/s41467-020-16259-9）
• A Review of Nonaqueous Electrolytes, Binders, and Separators for Lithium-Ion Batteries（https://doi.org/10.1007/s41918-022-00131-z）
• Electrolytes and Interphases in Li-Ion Batteries and Beyond（https://doi.org/10.1021/cr500003w）
• Lithium Batteries and the Solid Electrolyte Interphase (SEI)—Progress and Outlook（https://doi.org/10.1002/aenm.202203307）
• A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry（https://doi.org/10.1038/s41467-020-15355-0）
• Recent advances in lithium-ion battery materials for improved electrochemical performance: A review（https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100472）