電気化学的ストレスを最小限に抑えるために充電状態（SoC）範囲を最適化する

リチウム電池を長期間健康に保つには、充電の仕方を適切に管理することが重要です。空から満充電まで行うのではなく、およそ20％から80％の間で充電を維持することで、2023年に米国電気化学会が発表した研究によると、内部の電極にかかるストレスは約58％低減されます。このいわゆる中間域での使用戦略は、アノードへのリチウム析出やカソード材料内の亀裂形成といった問題を防ぐのに役立ち、これらは電池の経年劣化の主な原因です。スマートフォンを現実の例に挙げてみましょう。充電が80％に達すると充電を停止する仕様のデバイスでは、500回の完全充電サイクル後でも、元の容量の約92％を維持しています。一方、毎回フル充電するスマートフォンは、同じ500サイクル後でも初期容量の約78％しか残っていません。

なぜ20%～80%のSoC範囲で劣化が抑えられ、リチウム電池のサイクル寿命が最大化されるのか

高または低の充電状態が継続すると、化学的な劣化が加速します：

• 90%以上のSoC ：電解質の酸化により、月あたり約1.2%の容量減少が生じる
• 15%以下のSoC ：アノードの溶解により、月あたり約0.8%の劣化が進行する

ミシガン大学の研究（2023年）によると、部分充電戦略は深放電と比較してサイクル寿命を4倍にすることが確認された。

放電深度（DoD）の影響：100% DoDでは300サイクルから、30% DoDでは1,200サイクル以上へ

浅い放電は、使用可能な寿命を劇的に延長する。

放電深度を30%に制限することで、構造的な疲労が軽減され、90%以上の容量を維持した状態で1,200サイクル以上を実現できる。これはEVやエネルギー貯蔵システムなどの用途において極めて重要である。

熱による加速劣化を防ぐため、温度環境を制御してください

加熱劣化：25°Cを超える毎に+10°Cごとにリチウム電池のサイクル寿命が約50%短くなる仕組み

温度が高くなりすぎると、リチウム電池内部で化学反応が発生し、時間の経過とともに永久的な損傷を引き起こします。研究によると、温度が標準の25°Cをわずか10°C上回るだけで、電池の劣化速度は通常の約2倍になり、充電サイクルの総数が減少します。たとえば、1,000サイクルを設計寿命とする電池でも、35°C前後で継続的に使用すると、著しい容量低下が生じるまでにせいぜい500サイクル程度しか持たない可能性があります。その理由は、熱によって電解液が分解され、保護膜であるSEI層が異常に厚く成長し、正極の金属が系内に溶け出す現象が起きるためです。電池が実際に使用されていない場合でも、高温状態で保管し続けると劣化速度が著しく加速します。したがって、性能が最も重要となる実用性の高い用途においてリチウム電池を最大限に活用するには、適切な熱管理を通じて30°C未満での運用を維持することが何よりも不可欠です。

低温充電のリスク：0°C以下でのリチウムプレーティングおよび永久的な容量損失

リチウム電池を凍結条件下で充電すると、リチウムイオンに問題が生じます。本来であればアノード材料内部に移動すべきリチウムイオンが、その代わりに表面に金属結晶を形成し始めます。この現象全体を「リチウムプレーティング」と呼びます。さらに悪化させるのは、一度この現象が始まると、基本的に永久的な損傷となる点です。これが発生するたびに、容量は5％から20％の間で低下し、電池内部では小さな枝のように結晶構造が成長していき、危険な短絡事故につながる可能性があります。0度未満になると状況は特に難しくなります。なぜなら、イオンの動きがほとんどなくなってしまうためです。電池内部の抵抗は大きく上昇し、通常の3倍になることもあります。これにより、充電時に厄介な電圧スパイクが発生します。研究によれば、マイナス10度での充電をわずか10サイクル繰り返すだけで、常温下での100サイクル分とほぼ同等の劣化が生じます。こうしたトラブルを避けるため、多くの専門家は充電を開始する前に電池を少なくとも5度以上に予熱することを推奨しています。この簡単なステップにより、多くの人々が直面する厳しい冬の環境下でも、電池の寿命を守ることができます。

能動的な保護のためにインテリジェントバッテリーマネジメントシステムを使用する

バッテリー管理システム（BMS）はリチウム電池の頭脳として機能し、電圧レベル、電流の流れ、温度変化、および内部に残っている充電量を常に監視しています。これらのシステムは、電池が過度に摩耗しないよう尽力します。電圧や熱が高くなりすぎた場合には、自動的に充電速度を低下させたり、完全に電源を遮断したりして、損傷から保護します。優れたBMSは、電池が完全に放電されるのを防ぐことも重要で、これは寿命を劇的に短くする可能性があるためです。完全放電は、部分的な放電に比べて寿命を約4分の3も短くしてしまうことがあります。また、室温よりわずか10℃上昇するだけでもバッテリー寿命がほぼ半分に減少するため、温度制御も重要な機能です。最新のモデルの中には、セル間の問題が重大になる前にスマートソフトウェアで検出し、エネルギーを再分配してバランスを保ち、特定の領域が他よりも速く劣化するのを防ぐものもあります。このような保護機能がすべて連携することで、リチウム電池の寿命が延び、ニュース報道などで時折耳にするような熱暴走などの危険な故障を大幅に減らすことができます。

長期的な安定性のための適切な保管およびメンテナンス方法を適用する

涼しく乾燥した環境で40%～60%の充電状態（SoC）での保管が最適：経時劣化を最大70%削減

リチウム電池は適切に保管することで寿命が大幅に延びます。これは、使用せず放置しているだけでも容量が低下する「カレンダー劣化」と呼ばれる現象を防げるためです。内部の部品への負担を減らすために、充電量を約40％から60％の間で維持し、化学反応が進行して内部が劣化するのを遅らせるために、涼しい場所（理想的には15〜25度）に保管することが重要です。また、湿度も低めに保ち、50％未満が最適です。これは湿気が腐食や電池からの漏れなどの問題を引き起こす可能性があるためです。これらのガイドラインに従うことで、35度前後の高温環境で満充電のまま放置した場合と比較して、年間の容量減少を最大70％まで抑えることができます。長期間電池を保管する予定のある人は、数か月または数年にわたり完全に放電してしまうことを防ぐために、時折電圧を確認し、推奨範囲内に保つようにすることが大切です。

劣化を加速させる高レート充電および過充電条件を避ける

急速充電のトレードオフ：標準的な0.5C充電と比較して、2Cでの充電時にリチウム電池のサイクル寿命が20～30%低下

高速充電および放電サイクルについて話すとき、リチウムイオン電池は電気化学的に非常に大きな負荷を受けます。2Cレートでの充電はわずか30分でバッテリーを完全に充電することを意味しますが、これには代償があります。研究によると、このような条件下で使用されるバッテリーは、標準的な0.5Cレートで充電されたものと比較して、通常70～80％程度の寿命しか持たないことが示されています。この劣化の原因は、急速なプロセス中にセル内部で起こる現象にあります。高速で移動するイオンにより、電解液が通常よりも早く分解されると同時に、電極上でのSEI層（固体電解質界面膜）の形成も促進され、結果として時間の経過とともに全体の容量が低下します。過充電についても忘れてはなりません。過充電はバッテリー内部でさまざまな有害な化学反応を引き起こし、内部部品に深刻な損傷を与え、実用寿命を大幅に短くする可能性があります。

• 熱暴走のリスク 過剰な電圧は発熱（>60°C）を誘発し、正極の劣化を加速します
• リチウムプレーティング ：0°C未満での充電中に、金属リチウムがアノード上に析出し、不可逆的な容量損失を引き起こす
• 構造的損傷 ：過充電によりグラファイトアノードが設計限界を超えて膨張し、電極材料が亀裂を生じる

最適な充電プロトコルは、スピードと長寿命のバランスを取るものである。リチウム電池のサイクル寿命を最大にするためには、可能であれば充電レートを‹1Cに制限し、100%の電圧で充電を終了するスマート充電器を使用すること。高負荷用途（例：電動工具）では、急速な充放電による劣化を抑制するために熱管理システムが有効である。

よくある質問 (FAQ)

リチウム電池にとって最適な充電状態（SoC）範囲は何ですか？

リチウム電池にとって最適な充電状態（SoC）範囲は20%から80%の間であり、これにより電気化学的ストレスが最小限に抑えられ、電池の寿命が延びる。

温度はリチウム電池のサイクル寿命にどのように影響しますか？

標準動作温度である25°Cを10°C上回る環境では、リチウム電池のサイクル寿命が約50%短くなる可能性があります。一方、凍結条件下で動作させるとリチウムプレーティングが発生し、永久的な容量損失を引き起こすことがあります。

リチウムプレーティングとは何ですか？

リチウムプレーティングは、凍結温度下での充電時にリチウムイオンが電池のアノード表面で金属結晶として析する現象であり、これにより不可逆的な容量損失が生じます。

バッテリー管理システム（BMS）はリチウム電池をどのように保護しますか？

BMSは電圧、電流、温度、充電レベルを監視し、充電速度を自動調整したり、損傷を防ぐために電源を遮断することで、リチウム電池を保護します。