リチウムイオン電池の容量劣化メカニズム

リチウムイオン電池の容量劣化は、可逆容量低下と不可逆容量低下に分類されます。可逆容量低下は比較的軽度であり、充放電プロトコルの調整（例：充電電流の最適化、電圧制限）や使用条件の改善（例：温度・湿度管理）によって部分的に回復できます。一方、不可逆容量低下は電池内部の不可逆な変化によって発生し、永久的な容量低下につながります。サイクル寿命試験に関するGB/T 31484-2015規格では、「標準サイクル寿命試験において、放電容量は500サイクル後でも初期容量の90%を下回ってはならず、1,000サイクル後でも初期容量の80%を下回ってはなりません」と規定されています。これらの標準サイクル範囲内で急激な容量低下が見られる場合、それは容量低下不良（通常は不可逆劣化メカニズムを伴う）と分類されます。

I. 材料関連の要因

1. カソード材料の構造劣化

2. 陽極表面における過剰なSEI成長

3. 電解質の分解と劣化

4. 集電体の腐食

5. バッテリーシステム内の微量不純物

原材料に混入する遷移金属不純物（Fe、Ni、Co）は、酸化還元反応に関与したり、電解質分解を触媒したり、Li⁺のインターカレーションと競合したりする可能性があります。また、これらの不純物はSEI層を不安定化し、アノードの副反応を悪化させます。

II. 運用環境要因

1. 温度の影響

2. 充放電率（Cレート）

3. 過充電/過放電

• 過放電は負極のリチウム化を促進し、その構造を不安定にし、電解液の減少を引き起こします。保護回路を搭載していない初期のスマートフォンでは、このような過酷な使用条件下において急速な容量低下が見られました。

バッテリー故障の影響

深刻な容量低下は、動作時間の不足（例：充電後のデバイスの動作時間が短い）や異常な充電動作（例：充電速度が遅い）として現れます。重要なアプリケーションでは、以下の症状が見られます。

• グリッド規模のエネルギー貯蔵：故障したバッテリーは電力供給の信頼性を不安定にし、グリッドの安全性を脅かします。