18650、21700、26650、32650電池の違いとは？

円筒形リチウムイオン電池は、一般的に使用されている電池の一種で、その名のとおり円筒形の形状をしています。このタイプの電池は、性能とコストの面で大きな利点があり、さまざまな電子機器に広く使用されています。

円筒形電池の分類と特長

円筒形電池は広義のカテゴリーであり、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）、ニッケル・マンガン・コバルト（NMC）、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNiMnCoO2）など、複数の化学系を含みます。外装は、スチールケースとポリマーケースの2種類に分けられます。これらの電池はそれぞれ独自の利点を持っています。

現在、市場ではスチールケースの円筒形リン酸鉄リチウム電池が主流となっております。このタイプは、大容量、高出力電圧、優れた充放電サイクル性能、安定した出力電圧、大電流放電能力、電気化学的安定性および高い安全性といった特長を有しており、ソーラーランプ、芝生用ランプ、バックアップ電源、電動工具、玩具モデルなど多くの分野で広く利用されています。

円筒型電池の構造分析

円筒型電池の構造は比較的複雑ですが、各部品が重要な役割を果たしています。主な構成要素としては、ケース、キャップ、正極、負極、セパレーター（絶縁体）、電解液、PTC素子、ワッシャー、安全弁などがあります。中でも、電池ケースは通常負極として機能し、キャップは正極として使用されます。なお、ケースには耐久性と安全性を確保するために、ニッケルメッキされた鋼板が一般的に使用されています。

円筒型リチウムイオン電池の優れた特長

円筒型リチウムイオン電池は、電池分野において最も長い開発の歴史を持ち、高度な標準化、成熟した製造プロセス、高い歩留まり、および明確なコスト優位性を有しています。具体的な特長は以下のとおりです。

長年の開発を経て、円筒型電池は国際的に統一された標準規格を形成しており、製造工程の標準化が進んでいます。これにより歩留まりが向上し、生産コストの削減が実現されています。

円筒型という独自の構造により、単位体積あたりの表面積が大きく、放熱効果に優れているため、高温環境下でも安定した動作が可能です。

円筒型電池は一般的に密閉型の蓄電池として設計されており、日常使用において特別なメンテナンスを行う必要がありません。

電池の外装には高い圧力に耐える素材が使用されており、角型電池やラミネート型電池に見られる膨張トラブルを効果的に回避し、安全性を確保しています。

円筒型リチウムイオン電池における正極材料の選定

商業用途において、円筒型リチウムイオン電池の正極材料には、主にコバルト酸リチウム（LiCoO₂）、マンガン酸リチウム（LiMn₂O₄）、三元系材料（NMC）、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）などが使用されています。

項目	コバルト酸リチウム（LiCoO₂）	ニッケル・コバルト・マンガン酸リチウム（LiNiCoMnO₂）	マンガン酸リチウム（LiMn₂O₄）	リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）
タップ密度（g/cm³）	2.8～3.0	2.0～2.3	2.2～2.4	1.0～1.4
比表面積（m²/g）	0.4～0.6	0.2～0.4	0.4～0.8	12～20
比容量（mAh/g）	135～140	140～180	90～100	130～140
電圧プラットフォーム（V）	3.7	3.5	3.8	3.2
サイクル性能	500回以上	500回以上	300回以上	2000回以上
遷移金属資源の豊富さ	稀少	稀少	豊富	非常に豊富
原材料コスト	高い	高い	低い	低い
環境適合性	コバルトを含む	ニッケルおよびコバルトを含む	無毒	無毒
安全性能	良好	良好	優れている	優れている
主な用途	小型電池／小型動力電池	動力電池、低価格帯の電池	動力電池、低価格帯の電池	動力電池／超大容量電源
主な利点	充放電が安定、製造工程が簡易	電気化学的性能が安定、サイクル寿命が長い	マンガン資源が豊富、価格が安価、安全性が高い	安全性が高く、環境負荷が少ない、寿命が長い
主な欠点	コバルトコストが高く、サイクル寿命が短い	コバルトコストが高い	エネルギー密度が低く、電解液との相性が悪い	低温性能が劣り、放電電圧が低い

円筒型リチウムイオン電池の負極材料

円筒型リチウムイオン電池に使用される負極材料は、大きく分けて、炭素系負極材料、合金系負極材料、スズ系負極材料、リチウム含有遷移金属窒化物系負極材料、ナノスケール材料、およびナノ負極材料の6種類に分類されます。

現在、実際にリチウムイオン電池に用いられている負極材料の主流は炭素系材料です。代表的なものとしては、人工黒鉛、天然黒鉛、中間相ピッチ系炭素微粒子、石油コークス、炭素繊維、熱分解樹脂系炭素などが挙げられます。

スズ系合金、シリコン系合金、ゲルマニウム系合金、アルミニウム系合金、アンチモン系合金、マグネシウム系合金などが含まれます。現在のところ、商用化された製品は存在していません。

スズ系負極材料は、スズ酸化物およびスズ系複合酸化物の2種類に大別されます。酸化物とは、さまざまな価数状態にある金属スズの酸化物を指しますが、現時点では商用化された製品はありません。

このカテゴリにおいても、現段階では商用化された製品は存在しておりません。

円筒型リチウムイオン電池セル

主なブランド

円筒型リチウムイオン電池は、日本および韓国の電池メーカーにおいて非常に人気が高く、また中国国内においても相当規模の企業が製造を行っています。なお、円筒型リチウムイオン電池は、1992年に日本のソニー社（SONY）によって初めて開発されました。

型番の意味

円筒型リチウムイオン電池のセル型番は通常5桁で構成されており、左から1桁目と2桁目は電池の直径（mm）、3桁目と4桁目は高さ（mm）、5桁目は円筒形であることを示します。

代表的な型番には、10400、14500、16340、18650、21700、26650、32650 などがあります。

10440電池は直径10mm、高さ44mmのリチウムイオン電池で、一般に「単7電池」と呼ばれるサイズと同じです。容量は数百mAh程度と非常に小さく、主にミニ電子機器（懐中電灯、ミニスピーカー、アンプなど）に使用されます。

14500電池は直径14mm、高さ50mmのリチウムイオン電池です。一般的に電圧は3.7Vまたは3.2Vで、公称容量は10440電池よりやや大きく、通常1600mAhです。放電性能に優れており、ワイヤレススピーカー、電動玩具、デジタルカメラなどの民生用電子機器に主に使われています。

16340電池は直径16mm、高さ34mmのリチウムイオン電池です。高さがやや低めで容量は小さくありません。このため、高輝度懐中電灯、LEDライト、ヘッドランプ、レーザーライト、照明器具などに広く用いられています。

18650電池は直径18mm、高さ65mmのリチウムイオン電池で、最も特徴的なのは非常に高いエネルギー密度であり、1kgあたり約170Whに達します。そのため、コストパフォーマンスに優れています。日常でよく見かける電池の多くはこのタイプで、システム品質の安定性が高く成熟した電池です。携帯電話やノートパソコンなど、容量がおよそ10kWh前後の小型機器に幅広く適しています。

21700電池は直径21mm、高さ70mmのリチウムイオン電池です。容量が増えたことで空間利用率が向上し、セルおよびシステム全体のエネルギー密度が高まります。体積あたりのエネルギー密度は18650電池を大きく上回り、デジタル製品、電気自動車、バランスカー、太陽光リチウム街路灯、LED照明、電動工具などに広く使われています。

26650電池は直径26mm、高さ65mmのリチウムイオン電池で、公称電圧は3.2V、公称容量は3200mAhです。高容量・高い整合性といった優れた特長を持ち、18650電池の代替として徐々に注目されています。パワー電池分野の多くの製品で採用が進んでいます。

32650電池は直径32mm、高さ65mmのリチウムイオン電池です。連続放電能力が非常に強く、電動玩具、バックアップ電源、UPS電池、風力発電システム、風力・太陽光ハイブリッド発電システムなどに適しています。

円筒型リチウムイオン電池の市場展開

円筒型リチウムイオン電池の技術進歩は主に、主要な電池材料の革新的な研究および応用の進展に起因します。新材料の開発を通じて、電池性能のさらなる向上、品質の強化、コストの削減、安全性の改善が可能となります。下流の用途における電池の比エネルギー向上の要求に応えるため、一方では高比容量材料の採用、他方では高電圧材料を用いることで充電電圧を引き上げることが検討されています。

円筒型リチウムイオン電池は、14500電池からテスラ（ Tesla）の21700電池へと進化しています。近・中期の開発においては、既存のリチウムイオン動力電池技術を最適化し、新エネルギー車の大規模展開に対応するとともに、安全性、一貫性、寿命といった重要技術の向上を目指した新型リチウムイオン動力電池の開発に注力されます。同時に、新システム動力電池の先進的な研究開発も進められています。

また、円筒型リチウムイオン電池の中・長期的な発展においては、新型リチウムイオン動力電池の最適化・改良を継続する一方で、新システム動力電池の研究開発に重点が置かれ、比エネルギーの大幅な向上、コストの大幅な削減、そして新システム動力電池の実用的かつ大規模な応用の実現が目指されています。

円筒型リチウムイオン電池と角型リチウムイオン電池の比較

角型電池はサイズを自由に設計できるため、これは円筒型電池にはない利点となっています。

円筒型電池は複数のタブを溶接する工程に制約があるため、レート性能は複数タブを持つ角型電池よりやや劣ります。

理論的には、同じ正極材・負極材および電解液を使用するリチウムイオン電池は同一の放電プラットフォームを持つべきですが、実際には角型リチウム電池の放電プラットフォームの方がわずかに高い傾向にあります。

円筒型電池の製造工程は比較的成熟しており、電極箔の二次切断欠陥の発生確率は低いです。また、巻き取り工程の成熟度と自動化レベルも高いです。一方で、現在も積層工程は半手動方式を用いており、これが電池品質に悪影響を及ぼしています。

円筒型電池のタブ溶接は角型リチウムイオン電池より容易です。角型電池は溶接不良が発生しやすく、これが電池品質に影響を与えています。

円筒型電池は扱いやすいため、パック技術はシンプルで放熱効果も良好です。一方、角型リチウムイオン電池の組立では、放熱問題を適切に解決する必要があります。

角型リチウムイオン電池の角部は化学的活性が比較的低いため、長期使用後は電池のエネルギー密度が劣化しやすく、航続距離が短くなる傾向があります。

円筒型リチウムイオン電池とパウチ型リチウムイオン電池の比較

パウチ型電池は、安全性能において優れています。構造上、アルミプラスチックフィルムで封装されており、安全上の問題が発生した場合でも、パウチ型電池は一般的に膨張・破裂するだけで、スチール製やアルミ製のケースを使用したセルのように爆発することはありません。そのため、安全面では円筒型リチウムイオン電池よりも優れているといえます。

パウチ型電池は比較的軽量で、同じ容量を持つスチールシェル型リチウムイオン電池と比較して約40％、円筒型アルミシェル電池と比べて約20％軽量です。また、内部抵抗が小さいため、自己放電を大幅に抑制することが可能です。

パウチ型電池はサイクル性能に優れており、サイクル寿命（cycle life）も長くなっています。100回の充放電サイクル後の容量劣化は、円筒型電池と比較して4〜7％少なく抑えられます。

パウチ型電池は設計の自由度が高く、任意の形状・厚みで製造することができ、顧客のニーズに応じた新型セルのカスタマイズにも対応可能です。円筒型リチウムイオン電池にはこのような柔軟性はありません。

パウチ型電池の欠点としては、セル間の性能のばらつき（コンシステンシーの低さ）、コストの高さ、および液漏れのリスクが挙げられます。ただし、大量生産によってコストの問題は改善可能であり、アルミプラスチックフィルムの品質向上によって液漏れの問題も解決できると考えられています。

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