リチウム電池は商用および産業用エネルギー貯蔵システムにおけるエネルギー貯蔵媒体として機能しており、エネルギー解決策の有効性、コスト、持続可能性は、電池の運転効率に依存しています。安定したエネルギー供給を目指す企業にとって、リチウム電池のサイクル寿命を延ばすという技術的課題は、環境に配慮したエネルギー利用において不可欠です。

業界および商用エネルギー貯蔵分野において、リチウム電池によるエネルギー貯蔵が第一世代から第四世代へと進化する過程で、最初の企業として支援・立会いを行ってきた当社、Origotek株式会社は、産業および商用エネルギー貯蔵分野での16年にわたる深い蓄積を通じて、カスタマイズされたエネルギーソリューションを提供してきました。これにより、ピークシフト、バックアップ電源、バーチャルパワープラントにおけるエネルギー需要とバッテリー寿命のバランス調整を実現し、エネルギー用バッテリーの性能最適化に関する知見を深めてきました。本記事では、産業現場の実践例と技術革新を融合させながら、リチウム電池のサイクル寿命を低下させる主要因と、サイクル寿命向上に向けた産業界の取り組みについて解説します。

1. リチウム電池のサイクル寿命に影響を与える主な要因

リチウム電池のサイクル寿命とは、電池の容量が初期容量の80%に達するまでに繰り返し行える充放電サイクルの回数として定義される。業界では、サイクル寿命の能力を定義する基準として80%という値が標準的に用いられている。この指標にはいくつかの相互に関連する要素があり、これらの要素を的確に説明できることが、電池の寿命を延ばすための基礎となる。

1.1 電極材料の劣化

リチウム電池の正極および負極は、リチウムイオンの挿入および脱挿入の主要な部位である。多数回のサイクルを経ると、電極材料（コバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウムなど）の結晶構造が崩壊し、利用可能なリチウムイオンの数が減少する。例えば、市販のエネルギー貯蔵製品において長期間にわたって大電流で充電を行う場合、負極における「デッドリチウム」の生成が促進される。「デッドリチウム」とは、正極に再び挿入できない状態となったリチウムイオンを指し、その結果、電池の容量およびサイクル寿命が著しく低下する。

1.2 充放電管理の誤り

バッテリー寿命が短くなる最も一般的な理由の一つは、充放電パラメータの不適切な設定です。過充電（電圧制御の喪失）は電解液の分解や電極材料の酸化を引き起こし、過放電（カットオフ電圧以下の制御喪失）は負極に不可逆的な損傷を与えます。実際の運用において、一部の企業はバッテリーの仕様と充電装置との適合性を無視しており、その結果として過充電／過放電の状況が生じています。これは特に産業用・商業用に設置されたバッテリーシステムのサイクル寿命に対して悪影響を及ぼします。

1.3 環境温度の変動

温度制御はリチウム電池システムにおいて重要な機能です。温度が45°Cを超えると、電池の電解液が非常に流動的になり、望まない電解液の分解や電極の腐食を含む副反応が発生します。逆に0°C以下の環境では、リチウムイオンの移動が停止し、挿入（インターカレーション）が不完全となり、内部抵抗が増加します。温度管理が行われていない極端な電池システムの場合、電池のサイクル寿命が30%～50%も短くなる可能性があり、多様な地理的条件を考慮したエネルギー貯蔵および産業・商業用途において依然として大きな問題となっています。

2. リチウム電池のサイクル寿命を最大化するための技術的戦略

Origotek株式会社は、上記の要因から生じる最適化の取り組みを、第4世代の産業・商用エネルギー貯蔵製品の研究開発および設計に統合しています。このような戦略は、複雑な使用シナリオ下でも安定性を維持しつつ、バッテリーのサイクル寿命を向上させることを目指しています。

2.1 電極材料配合の最適化

第4世代製品において、正極には結晶構造の安定化を高めるためにニオブの微量添加を行い、負極には「デッドリチウム」の生成を最小限に抑えるため多孔質カーボンコーティングを施すことで、電極材料の比率を変更しました。これにより、標準的な充放電条件下での産業・商用エネルギー貯蔵用バッテリーのサイクル寿命が、第3世代と比較して20％以上向上し、6,000サイクルを超えるようになりました。

2.2 智能型充放電管理の導入

産業用および商業用アプリケーション向けに、充電状態（SOC）および温度条件に関わらず、電流および電圧のパラメータを個別に決定・適応させることが可能な充放電管理システム（C&DMS）をカスタマイズしました。
• 充電中、SOCが80%以上になると、過充電を防ぐために定電流モードに切り替わります。
• 放電中、SOCが20%以下になると、過放電を防ぐために回路が遮断されます。
• エネルギー管理システムとリアルタイムで通信連携し、SOCを最適化したピークシフト制御により、バーチャルパワープラントのスケジュール運転における充放電戦略を改善します。

2.3 アクティブ温度制御技術の採用

当社のすべての産業用および商業用エネルギー貯蔵システムは、温度均一化機能を備えています。そのため、冷却および加熱機能を持つデュアルモードアクティブ温度制御システムを搭載しています。
• 高温条件下では、温度制御型液体熱交換器による冷却により、バッテリーを25～35°Cの温度に維持します。
• 低温条件下では、PTCヒーターと熱交換器によってバッテリーを加熱し、5°C以上に保ちます。具体的には、充電前にバッテリーが5°Cを超えるまで加熱を行い、リチウムのインターカレーション反応が正常に行われる状態にします。

これにより、極端な温度環境下でもシステムの寿命と信頼性が大幅に向上します。

3. 業用および商用エネルギー貯蔵における寿命延長戦略の適用

産業および商業分野における持続可能なエネルギー利用に関しては、長寿命バッテリーはあくまで方程式の一部にすぎません。バッテリーと需要エネルギー管理の統合が鍵となります。これは、オルゴテック株式会社が複数の顧客事例で実証しています。

例えば、山東省のカスタマイズ可能なエネルギー貯蔵システム仮想発電所プロジェクト（10MWh）では、バッテリー寿命戦略の最適化により大きな差が生まれました。インテリジェントなBMSと温度制御システムにより、2年後（1,500回以上充放電）でもバッテリーのサイクル寿命が初期状態の90％以上に維持されています。顧客のエネルギー配分効率は15向上し、バッテリー交換コストを総額でほぼ40削減しました。

天津におけるある製造企業向けの別のピークシフトプロジェクトでは、当社の第4世代産業・商業用エネルギー貯蔵製品が、企業の生産スケジュールに基づいて充放電のタイミングを調整したことで、企業のエネルギー転換を円滑に継続する支援となりました。このバッテリーシステムは4年間安定して稼働しており、企業のエネルギー転換への取り組みを着実に支え続けています。

まとめ

リチウム電池のサイクル寿命は、材料に関する技術が統合され、スマートな管理が実施され、すべての環境要因が考慮されたときに達成されます。実用的な観点から見ると、エネルギー貯蔵コストの削減と電池寿命の延長は、エコシステム内の産業および商業企業にとってウィンウィンの結果です。

産業・商業用途向けエネルギー貯蔵市場において、Origotek株式会社が積極的に習得してきたエネルギー貯蔵のノウハウと専門知識は、第4世代エネルギー貯蔵システムの進化に合わせて、カスタムバッテリーパフォーマンス最適化解の設計に引き続き注力していきます。私たちは今後も、産業・商業分野のお客様がエネルギーの持続可能性への投資、ならびに発展途上国の社会における取り組みを進める旅路において、エネルギー貯蔵システムを通じて支援を続けてまいります。