Loading article…
電気電池は、電気機器に電力を供給するための外部接続を備えた1 つ以上の電気化学セルからなる電力源です[ 1 ]。電池が電力を供給しているとき、正極はカソード、負極はアノードです。[ 2 ]負極とマークされた端子は電子の供給源です。電池が外部の電気負荷に接続されると、負に帯電した電子が回路を流れて正極に到達し、正に帯電したイオン、つまり陽イオンを引き付けることで酸化還元反応を引き起こします。このようにして、高エネルギーの反応物が低エネルギーの生成物に変換され、自由エネルギーの差が電気エネルギーとして外部回路に供給されます。歴史的に「電池」という用語は、複数のセルで構成されるデバイスを具体的に指していましたが、単一のセルで構成されるデバイスも含むように使用法が進化しました。[ 3 ]
一次電池（使い捨て電池）は、放電中に電極材料が不可逆的に変化するため、一度使用すると廃棄されます。一般的な例としては、懐中電灯や多数の携帯電子機器に使用されるアルカリ電池が挙げられます。二次電池（充電式電池）は、電流を流すことで複数回放電および充電できます。逆電流を流すことで電極の元の組成を回復させることができます。例としては、 内燃機関車に使用される鉛蓄電池や、携帯電子機器や電気自動車に使用されるリチウムイオン電池などがあります。
電池には、補聴器や腕時計の電源として使われる小型の電池から、電話交換局やコンピュータデータセンターの予備電源や非常用電源として使われる部屋ほどの大きさの巨大な電池バンクまで、さまざまな形状とサイズがあります。電池の比エネルギー（単位質量あたりのエネルギー）は、ガソリンなどの一般的な燃料に比べてはるかに低くなっています。自動車においては、電気モーターは内燃機関に比べて電気エネルギーを機械的仕事に変換する効率が高いため、この点はある程度相殺されます。
ベンジャミン・フランクリンは、連結したライデン瓶コンデンサーを用いた電気実験を行っていた1749年に初めて「電池」という用語を使用しました。 [ 4 ]フランクリンは、複数の瓶をまとめて「電池」と表現しました。これは、連携して機能する兵器を指す軍事用語です。[ 5 ]保持容器の数を増やすことで、より強力な電荷を蓄えることができ、放電時に利用できる電力も増加します。
イタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタは、 1800年に最初の電気化学電池であるボルタ電池を製作し、その構造を記述した。 [ 6 ]これは、塩水に浸した紙の円盤で隔てられた銅板と亜鉛板の積み重ねで、かなりの時間にわたって安定した電流を生成することができた。ボルタは、電圧が化学反応によるものであることを理解していなかった。彼は、自分の電池は尽きることのないエネルギー源であると考えており、[ 7 ]電極における腐食の影響は、マイケル・ファラデーが1834年に示したように、電池の動作に伴う避けられない結果ではなく、単なる迷惑なものだと考えていた。[ 8 ]
初期の電池は実験目的では非常に価値があったものの、[ 9 ]実際には電圧が変動し、長時間にわたって大電流を供給することができなかった。1836年にイギリスの化学者ジョン・フレデリック・ダニエルによって発明されたダニエル電池は、最初の実用的な電力源となり、業界標準となり、電信ネットワークの電源として広く採用された。[ 10 ]これは、硫酸銅溶液を満たした銅製の容器の中に、硫酸と亜鉛電極を満たした素焼きの陶器容器を浸した構造であった。 [ 11 ]
これらの湿式電池は液体電解質を使用しており、正しく扱わないと漏れやこぼれを起こしやすかった。多くはガラス瓶に部品を収納していたため、壊れやすく、潜在的に危険であった。これらの特性から、湿式電池は携帯機器には不向きであった。19世紀末近く、液体電解質をペーストに置き換えた乾電池が発明され、携帯用電気機器が実用的になった。 [ 12 ]
真空管装置で使用される電池は、従来、「A」電池（フィラメントに電力を供給するため）には湿式電池が、「B」電池（プレート電圧を供給するため）には乾式電池が用いられていた。
2010年から2018年にかけて、バッテリー需要は年間30%増加し、2018年には合計180GWhに達しました。控えめに見積もっても、成長率は推定25%で維持され、2030年には需要が2600GWhに達すると予想されています。さらに、コスト削減により需要は最大3562GWhまで増加すると予想されています。[ 13 ]
電気バッテリー産業のこの高い成長率の重要な理由には、輸送の電化、脱炭素化イニシアチブに支えられた電力網への大規模な導入などがある。[ 13 ]
分散型電気バッテリーは、バッテリー式電気自動車（V2G）やスマートメータリングを備えた家庭用エネルギー貯蔵などに使用され、需要応答のためにスマートグリッドに接続されており、スマート電力供給グリッドの積極的な参加者です。[ 14 ] 部分的に消耗したバッテリーの二次利用は、耐用年数が長くなるため、エネルギー貯蔵コストと排出影響を削減することで、電気バッテリーの全体的な有用性を高めることができます。この用途では、バッテリー容量が80%未満に低下した（通常、5～8年使用後）車両用電気バッテリーは、バックアップ電源または再生可能エネルギー貯蔵システムでの使用に再利用されます。[ 15 ]
グリッド規模のエネルギー貯蔵は、バッテリーを大規模に使用して電力網や発電所からエネルギーを収集・貯蔵し、必要に応じて後でそのエネルギーを放電して電力やその他のグリッドサービスを提供することを想定しています。グリッド規模のエネルギー貯蔵（ターンキー方式または分散型）は、スマート電力供給グリッドの重要な構成要素です。[ 16 ]
計算モデリングの出現は電池材料設計に革命をもたらし、ハイスループットスクリーニングと原子レベルのシミュレーションを可能にし、従来の試行錯誤アプローチを超えて新しい電解質と電極の発見を加速させた。[ 17 ]
電池は化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。多くの場合、放出される電気エネルギーは、電気化学反応を起こしている金属、酸化物、または分子の凝集エネルギー[ 18 ]または結合エネルギーの差です。たとえば、亜鉛やリチウムは遷移金属とは異なり、d電子結合によって安定化されていないため、高エネルギー金属であり、エネルギーを蓄えることができます。電池は、電子が回路の外部部分を通過するときにのみ、エネルギー的に有利な酸化還元反応が起こるように設計されています。
電池は、いくつかのボルタ電池から構成されています。各電池は、金属カチオンを含む導電性電解質によって直列に接続された2 つの半電池から構成されています。一方の半電池には電解質と負極（陰イオン（負に帯電したイオン）が移動する電極）が含まれ、もう一方の半電池には電解質と正極（陽イオン（正に帯電したイオン）が移動する電極）が含まれます。陽イオンは陰極で還元され（電子が加えられ）、金属原子は陽極で酸化されます（電子が除去されます）。[ 19 ]一部の電池では、各半電池に異なる電解質が使用され、その場合、電解質の混合を防ぎながら、イオンが半電池間を流れて電気回路を完成させるためにセパレータが使用されます。
各半電池は、標準電極に対する起電力（emf 、ボルト単位で測定）を持ちます。電池の正味の起電力は、その半電池の起電力の差です。[ 20 ]したがって、電極の起電力がそしてすると、正味の起電力は言い換えれば、正味起電力は半反応の還元電位の差である。[ 21 ]
電気駆動力または電池の端子間の電圧差は端子電圧（差）と呼ばれ、ボルトで測定されます。[ 22 ]充電も放電もしていない電池の端子電圧は開放電圧と呼ばれ、電池の起電力に等しくなります。内部抵抗のため、[ 23 ]放電中の電池の端子電圧は開放電圧よりも小さく、充電中の電池の端子電圧は開放電圧よりも大きくなります。[ 24 ]理想的な電池は内部抵抗が無視できるほど小さいため、一定の端子電圧を維持します。完全に放電するとゼロまで低下します。このような電池が 1.5 ボルトを維持し、1クーロンの電荷を生成する場合、完全に放電すると 1.5ジュールの仕事を行うことになります。[ 22 ]実際の電池では、放電中に内部抵抗が増加し[ 23 ]、開放回路電圧も放電中に低下します。電圧と抵抗を時間に対してプロットすると、得られるグラフは通常曲線になります。曲線の形状は、使用される化学と内部構造によって異なります。
電池の端子間に発生する電圧は、電極と電解質の化学反応によるエネルギー放出に依存します。アルカリ電池と亜鉛炭素電池は化学反応は異なりますが、起電力はほぼ同じで1.5ボルトです。同様に、NiCd電池とNiMH電池は化学反応は異なりますが、起電力はほぼ同じで1.2ボルトです。[ 25 ]リチウム化合物の反応における高い電気化学的電位変化により、リチウム電池の起電力は3ボルト以上になります。[ 26 ]
電気伝導性を持つのに十分なイオンを含むほぼすべての液体または湿った物体は、電池の電解質として使用できます。目新しさや科学実験として、異なる金属で作られた2つの電極をレモン[ 27 ] 、ジャガイモ[ 28 ]などに挿入して、少量の電気を発生させることができます。
ボルタ電池は、2枚のコイン（例えばニッケル硬貨とペニー硬貨）と塩水に浸したペーパータオルで作ることができます。このような電池は非常に低い電圧しか発生しませんが、多数を直列に積み重ねると、短時間であれば通常の電池の代わりになります。[ 29 ]
電池は一次電池と二次電池に分類される。
例えば電信回路に使用される一部の一次電池は、電極を交換することで動作を回復した。[ 32 ]二次電池は、活性物質の消耗、電解液の損失、内部腐食のため、永久に充電できるわけではない。
一次電池、または一次セルは、組み立てるとすぐに電流を生成できます。これらは、消費電流が少なく、断続的にしか使用されない携帯機器、または他の電源が断続的にしか利用できない警報回路や通信回路など、代替電源から遠く離れた場所で使用される機器で最も一般的に使用されます。使い捨て一次セルは、化学反応が容易に可逆的ではなく、活性物質が元の形に戻らない可能性があるため、確実に再充電することはできません。電池メーカーは、一次セルの再充電を試みないことを推奨しています。[ 33 ]一般的に、これらは充電式電池よりもエネルギー密度が高いですが、 [ 34 ]使い捨て電池は、75オーム（75Ω）未満の負荷での高消費アプリケーションではうまく機能しません。一般的な使い捨て電池の種類には、亜鉛炭素電池とアルカリ電池があります。
二次電池（二次セル、または充電式電池とも呼ばれる）は、初めて使用する前に充電する必要があります。通常、放電状態の活物質で組み立てられています。充電式電池は、放電/使用中に発生する化学反応を逆転させる電流を流すことで（再）充電されます。適切な電流を供給する装置は充電器と呼ばれます。最も古い充電式電池は鉛蓄電池で、自動車や船舶用途で広く使用されています。この技術では、密閉されていない容器に液体電解質が含まれているため、過充電時に発生する水素ガスを安全に拡散させるために、電池を直立させ、周囲を十分に換気する必要があります。鉛蓄電池は、供給できる電気エネルギーの量に対して比較的重いです。製造コストが低く、サージ電流レベルが高いため、重量や取り扱いの問題よりも容量（約10Ah以上）が重要な用途でよく使用されています。一般的な用途としては、一般的に450アンペアのピーク電流を供給できる現代の自動車用バッテリーがあります。
ガルバニ電池、電解セル、燃料電池、フローセル、ボルタ電池など、さまざまな化学プロセスと設計の電気化学セルが数多く製造されてきた。[ 35 ]
湿式電池は液体電解質を備えています。液体が内部部品全体を覆っているため、液浸電池とも呼ばれ、動作中に発生したガスが空気中に放出されるため、通気式電池とも呼ばれます。湿式電池は乾式電池の前身であり、電気化学の学習ツールとしてよく使用されます。ビーカーなどの一般的な実験器具で構築でき、電気化学電池の動作原理を実演できます。濃度電池と呼ばれる特定のタイプの湿式電池は、腐食を理解する上で重要です。湿式電池は、一次電池（非充電式）または二次電池（充電式）に分類されます。当初、ダニエル電池などの実用的な一次電池はすべて、上部が開いたガラス瓶の湿式電池として構築されました。その他の一次湿式電池には、ルクランシェ電池、グローブ電池、ブンゼン電池、クロム酸電池、クラーク電池、ウェストン電池などがあります。ルクランシェ電池の化学は、最初の乾式電池に適用されました。湿式電池は、自動車用バッテリーや、産業用スイッチギア、通信機器、大型無停電電源装置の待機電源として今でも使用されていますが、多くの場所ではゲル電池が代わりに使われています。これらの用途では、一般的に鉛蓄電池またはニッケルカドミウム電池が使用されます。溶融塩電池は、溶融塩を電解質として使用する一次電池または二次電池です。高温で動作するため、熱を保持するために十分に断熱する必要があります。
乾電池はペースト状の電解質を使用し、電流が流れるのに十分な水分のみを含みます。湿式電池とは異なり、乾電池は自由液体を含まないため、どの向きでもこぼれることなく動作し、携帯機器に適しています。これに対し、初期の湿式電池は、通常、上部が開いた状態で鉛棒がぶら下がった壊れやすいガラス容器で、こぼれないように注意深く取り扱う必要がありました。鉛蓄電池は、ゲル電池が開発されるまで、乾電池の安全性と携帯性を実現できませんでした。一般的な乾電池は、亜鉛炭素電池で、乾式ルクランシェ電池と呼ばれることもあり、公称電圧はアルカリ電池と同じ1.5ボルトです（どちらも同じ亜鉛-二酸化マンガンの組み合わせを使用しているため）。標準的な乾電池は、通常円筒形のポットの形をした亜鉛陽極と、中央の棒状の炭素陰極で構成されています。電解質は、亜鉛陽極の隣にあるペースト状の塩化アンモニウムです。電解質と炭素陰極の間の残りの空間は、塩化アンモニウムと二酸化マンガンからなる第2のペーストで満たされており、二酸化マンガンは脱分極剤として作用する。一部の設計では、塩化アンモニウムの代わりに塩化亜鉛が用いられる。
予備バッテリーは、組み立てられていない状態（非活性化で電力供給なし）で長期間（場合によっては数年）保管できます。バッテリーが必要になったときに組み立てられ（例えば、電解液を追加するなど）、組み立てられたバッテリーは充電されてすぐに使用できます。例えば、電子砲弾信管用のバッテリーは、砲撃の衝撃によって作動する場合があります。加速によって電解液のカプセルが破裂し、バッテリーが活性化されて信管の回路に電力が供給されます。予備バッテリーは通常、長期間（数年）保管された後、短時間（数秒または数分）使用できるように設計されています。海洋観測機器や軍事用途向けの水活性化バッテリーは、水に浸すと活性化します。
2017年2月28日、テキサス大学オースティン校は、リチウムイオン電池の発明者であるジョン・グッドイナフ氏率いるチームが開発した新しいタイプの固体電池に関するプレスリリースを発表した。この電池は、「携帯型モバイル機器、電気自動車、定置型エネルギー貯蔵用の、より安全で、より速く充電でき、より長持ちする充電式電池につながる可能性がある」という。[ 36 ]また、この固体電池は「エネルギー密度が3倍」で、例えば電気自動車での寿命が延びるとも言われている。さらに、この技術は海水から抽出したナトリウムなど、より安価で環境に優しい材料を使用しているため、より環境に優しいはずである。また、寿命もはるかに長い。[ 37 ]
ソニーは、生物に見られるプロセスと同様の方法で糖から電気を生成するバイオバッテリーを開発しました。このバッテリーは、炭水化物を分解する酵素を利用して電気を生成します。 [ 38 ]
密閉型バルブ制御鉛蓄電池（VRLAバッテリー）は、鉛蓄電池（湿式）の代替品として自動車業界で広く普及しています。VRLAバッテリーは、固定化された硫酸電解液を使用しているため、液漏れの可能性が低く、保存期間が長くなります。[ 39 ] VRLAバッテリーは電解液を固定化します。VRLAバッテリーには次の2種類があります。
その他の携帯用充電式電池には、携帯電話やノートパソコンなどの用途で有用な密閉型「ドライセル」タイプがいくつかあります。このタイプの電池は（電力密度とコストの低い順に）、ニッケルカドミウム（NiCd）、ニッケル亜鉛（NiZn）、ニッケル水素（NiMH）、リチウムイオン（Li-ion）電池があります。Li-ionはドライセル充電式電池市場で圧倒的に高いシェアを占めています。NiMHは容量が大きいため、ほとんどの用途でNiCdに取って代わりましたが、NiCdは電動工具、双方向無線機、医療機器などで引き続き使用されています。
2000年代には、USBコネクタを介して単3電池を充電できるUSBCELLのような電子回路を内蔵した電池、従来の電池の約100倍の放電速度を実現するナノボール電池、過放電による損傷を防ぐ充電状態モニターと保護回路を備えたスマートバッテリーパックなど、様々な技術開発が進められました。自己放電率が低い（LSD）ため、二次電池は出荷前に充電することが可能です。
最長かつ最高高度の太陽光発電飛行ではリチウム硫黄電池が使用された。 [ 40 ]
あらゆる種類の電池は、消費者向けと産業用グレードで製造されています。高価な産業用グレードの電池は、より高い電力対サイズ比、より低い自己放電による使用していないときの長寿命、より高い液漏れ耐性、そして例えば医療用オートクレーブ滅菌に伴う高温多湿に耐える能力を提供する化学物質を使用している場合があります。[ 41 ]
標準サイズの電池は、それを使用する機器の電池ホルダーに挿入されます。機器が標準サイズの電池を使用しない場合、通常は複数の電池を収納する専用の電池パックにまとめられます。この電池パックには、電池管理システムや電池アイソレーターなどの機能が搭載されており、内部の電池が均等に充電および放電されるようになっています。
消費者が容易に入手できる一次電池は、電気時計に使われる小型のボタン電池から、信号回路やその他の長時間使用用途に使われる6号電池まで多岐にわたります。二次電池は非常に大型のものが製造されており、超大型電池は潜水艦の動力源となったり、電力網の安定化やピーク負荷の平準化に役立ちます。
2017年現在世界最大のバッテリーはテスラ によって南オーストラリアに建設されました。129 MWhを蓄えることができます。 [ 42 ]中国の河北省にあるバッテリーは、36 MWhの電力を蓄えることができ、2013年に5億ドルの費用で建設されました。[ 43 ]ニッケルカドミウム電池で構成された別の大型バッテリーは、アラスカ州フェアバンクスにありました。サッカー場よりも大きい2,000平方メートル（22,000平方フィート）を覆い、1,300トンの重さがありました。停電時にバックアップ電源を提供するためにABBによって製造されました。このバッテリーは、最大7分間40 MWの電力を供給できます。[ 44 ]ナトリウム硫黄電池は風力発電の貯蔵に使用されています。[ 45 ] 25分間11 MWを供給できる4.4 MWhのバッテリーシステムは、ハワイのアウワヒ風力発電所の出力を安定させます。[ 46 ]
電圧、エネルギー密度、可燃性、利用可能なセル構造、動作温度範囲、保存寿命など、多くの重要なセル特性は、バッテリーの化学によって決まります。[ 47 ]
バッテリーの特性は、内部化学組成、電流消費量、温度など多くの要因により、負荷サイクル、充電サイクル、そして寿命全体にわたって変化する可能性があります。低温では、バッテリーは十分な電力を供給できません。そのため、寒冷地では、車のバッテリーを温める小型の電気ヒーターであるバッテリーウォーマーを取り付ける車もあります。
バッテリーの容量とは、指定された端子電圧を下回らない電圧で供給できる電気量です。セルに含まれる電極材料が多いほど、容量は大きくなります。同じ化学組成の小型セルは、同じ開放電圧を発生する大型セルよりも容量が小さくなります。 [ 48 ]容量は通常、アンペア時(A·h) (小型バッテリーの場合は mAh) で表されます。バッテリーの定格容量は通常、20 時間で、新しいバッテリーが20 °C (68 °F)で 20 時間連続して供給できる電流に 20 時間を掛けた値で表され、セルごとに指定された端子電圧を上回ります。たとえば、定格 100 A·h のバッテリーは、室温で 20 時間にわたって5 A を供給できます。バッテリーが供給できる蓄積電荷の割合は、バッテリーの化学組成、充電速度 (電流)、必要な端子電圧、保管期間、周囲温度、その他の要因など、複数の要因に依存します。[ 49 ] [ 48 ]
放電率が高いほど、容量は低くなります。[ 50 ]鉛蓄電池の電流、放電時間、容量の関係は、（一般的な電流値の範囲で）プーケルトの法則によって近似されます。
どこ
充電済みの電池（充電式または使い捨て）は、放電されていなくても、電流を生成せずに電荷キャリアを消費する一般的に不可逆的な副反応が存在するため、時間の経過とともに内部自己放電によって電荷を失います。自己放電の速度は電池の化学組成と構造によって異なり、通常、大きな損失が発生するまでには数ヶ月から数年かかります。電池を再充電すると、追加の副反応によってその後の放電容量が減少します。十分な再充電の後、実質的にすべての容量が失われ、電池は電力を生成しなくなります。内部エネルギー損失とイオンが電解質を通過する速度の制限により、電池の効率は変化します。最小閾値を超えると、低速で放電する方が高速で放電するよりも電池の容量をより多く供給できます。異なるA·h定格の電池を設置すると動作時間は変化しますが、負荷制限を超えない限り、デバイスの動作には影響しません。デジタルカメラなどの高消費電力負荷は、充電式または使い捨て電池の総容量を減少させる可能性があります。例えば、 10時間または20時間の放電に対して2A・hの定格を持つバッテリーは 、その表示容量が示唆するように、1Aの電流を2時間連続で維持することはできません。
Cレートは、バッテリーの充電または放電の速度の尺度です。これは、バッテリーを流れる電流を、バッテリーが1時間で定格容量を供給できる理論上の電流値で割った値として定義されます。[ 51 ]単位はh −1です。内部抵抗損失とセル内部の化学反応のため、バッテリーが1時間だけで定格容量を供給できることはまれです。通常、最大容量は低いCレートで得られ、高いCレートで充電または放電すると、バッテリーの使用可能寿命と容量が減少します。メーカーは、容量とCレートの曲線を示すグラフを含むデータシートを公開することがよくあります。Cレートは、バッテリーが回路で安全に供給できる最大電流を示すために、バッテリーの定格としても使用されます。充電式バッテリーの規格では、一般的に、4時間（0.25C）、8時間（0.125C）またはそれ以上の放電時間で容量と充電サイクルを評価します。コンピュータの無停電電源装置など、特殊な用途向けに設計されたタイプは、メーカーによって1時間（1C）よりもはるかに短い放電期間が定格されている場合があるが、サイクル寿命が限られている可能性がある。
2009年に実験的にリン酸鉄リチウム（LiFePO4）4 ) バッテリー技術は最速の充電とエネルギー供給を実現し、10～20秒で全てのエネルギーを負荷に放電します。 [ 52 ] 2024年には、5分で10%から80%まで充電できる電気自動車用プロトタイプバッテリーが実証され、 [ 53 ]中国企業は、自社が導入した自動車用バッテリーは10.5分で10%から80%まで充電できると主張しました。これは、テスラの半分まで充電するのに15分かかるのに対し、現在入手可能なバッテリーの中で最速です。 [ 54 ]
バッテリー寿命（または寿命）は、充電式バッテリーでは 2 つの意味を持ちますが、非充電式バッテリーでは 1 つの意味しかありません。これは、デバイスが完全に充電されたバッテリーで動作できる時間の長さを表すために使用できます。これは明確に「耐久性」とも呼ばれます。[ 55 ]充電式バッテリーの場合、セルが満足に動作しなくなるまでに可能な充電/放電サイクルの数を表すためにも使用できます。これは「寿命」とも呼ばれます。[ 56 ]保存期間という用語は、バッテリーが製造から使用までの間に性能を維持する期間を表すために使用されます。すべてのバッテリーの利用可能な容量は、温度の低下とともに低下します。今日のほとんどのバッテリーとは対照的に、 1812 年に発明されたザンボニパイルは、非常に少ない電流（ナノアンペア）しか供給できませんが、修理や再充電なしで非常に長いサービス寿命を提供します。オックスフォード電気ベルは、ザンボニパイルであると考えられているオリジナルのペアのバッテリーで、1840 年以来ほぼ途切れることなく鳴り続けています。
使い捨て電池は、室温（20～30 ℃）で保管すると、通常、1 年あたり元の充電量の 8～20% を失います。[ 57 ]これは「自己放電」率として知られており、負荷がかかっていないときでもセル内で発生する電流を生成しない「副」化学反応によるものです。副反応の速度は、低温で保管された電池では低下しますが、凍結によって損傷を受けるものもあり、冷蔵庫に保管しても保存期間が大幅に延長されることはなく、結露による損傷のリスクがあります。[ 58 ]古い充電式電池は、使い捨てアルカリ電池よりも自己放電が速く、特にニッケルベースの電池ではその傾向が顕著です。新しく充電されたニッケルカドミウム（NiCd）電池は、最初の 24 時間で充電量の 10% を失い、その後は 1 か月あたり約 10% の割合で放電します。しかし、より新しい低自己放電型のニッケル水素（NiMH）電池や最新のリチウム電池は、自己放電率が低い（ただし、一次電池よりは高い）。
電池プレート上の活物質は、充電と放電のサイクルごとに化学組成が変化します。活物質は体積の物理的変化によって失われる可能性があり、電池の再充電回数をさらに制限します。ほとんどのニッケル系電池は購入時に部分的に放電されており、初回使用前に充電する必要があります。[ 59 ]最新のNiMH電池は購入時にすぐに使用でき、1年間の放電はわずか15%です。[ 60 ]
充電と放電のサイクルごとに劣化が発生します。劣化は通常、電解質が電極から移動したり、活物質が電極から剥離したりすることによって発生します。低容量の NiMH 電池 (1,700 ～ 2,000 mA·h) は約 1,000 回充電できますが、高容量の NiMH 電池 (2,500 mA·h 以上) は約 500 サイクル持ちます。[ 61 ] NiCd 電池は、内部抵抗が使用可能な値を超えて永久的に増加する前に 1,000 サイクル定格である傾向があります。急速充電はコンポーネントの変化を増加させ、電池の寿命を短くします。[ 61 ]充電器が電池が完全に充電されたことを検出できない場合、過充電が発生して電池が損傷する可能性があります。[ 62 ]
NiCd電池は、特定の繰り返し使用方法によっては、「メモリー効果」と呼ばれる容量の低下を示すことがあります。[ 63 ]この効果は、簡単な対策で回避できます。NiMH電池は、化学的には似ていますが、メモリー効果は少ないです。[ 64 ]
自動車用鉛蓄電池は、振動、衝撃、温度範囲によるストレスに耐えなければなりません。これらのストレスと鉛板のサルフェーションのため、自動車用バッテリーで6年以上通常使用しても長持ちするものはほとんどありません。 [ 65 ]自動車用始動（SLI：始動、照明、点火）バッテリーは、電流を最大化するために多くの薄いプレートを備えています。一般的に、プレートが厚いほど寿命が長くなります。通常、充電前にわずかに放電するだけです。電動ゴルフカートで使用されるような「ディープサイクル」鉛蓄電池は、寿命を延ばすためにプレートがはるかに厚くなっています。[ 66 ]鉛蓄電池の主な利点は低コストであることであり、主な欠点は、容量と電圧に対してサイズと重量が大きいことです。鉛蓄電池は、内部抵抗により充電時に熱と損傷が発生するため、容量の20%未満まで放電してはなりません。[ 67 ]ディープサイクル鉛蓄電池システムでは、バッテリーの寿命を縮めるような損傷を防ぐために、低充電警告灯や低充電電源遮断スイッチがよく使用されます。[ 68 ]
電池の寿命は、冷蔵庫や冷凍庫などの低温で保管することで、副反応を遅らせ、延ばすことができます。このような保管により、アルカリ電池の寿命は約 5% 延ばすことができます。充電式電池は、種類によっては、はるかに長く充電を保持できます。[ 69 ]電池を最大電圧にするには、室温に戻す必要があります。アルカリ電池を 0 °C で 250 mAで放電すると、 20 °C で放電する場合の半分の効率しかありません 。[ 34 ]デュラセルなどのアルカリ電池メーカーは、電池を冷蔵することを推奨していません。[ 33 ]
バッテリーの爆発は一般的に、一次電池（充電式ではない電池）を充電しようとしたり、短絡したりするなど、誤用や故障によって引き起こされます。
バッテリーが過度の速度で再充電されると、水素と酸素の爆発性混合ガスが、バッテリー内部から（内蔵の通気口などを通じて）逃げるよりも速く生成され、圧力が上昇し、最終的にバッテリーケースが破裂する可能性があります。極端な場合、バッテリーの化学物質がケースから激しく噴出し、怪我をする可能性があります。この問題に関する専門家の要約によると、このタイプは「リチウムイオンをアノードとカソードの間で輸送するために液体電解質を使用しています。バッテリーセルが急激に充電されると、短絡が発生し、爆発や火災につながる可能性があります」。[ 70 ] [ 71 ]車のバッテリーは、短絡によって非常に大きな電流が発生すると爆発する可能性が最も高くなります。このようなバッテリーは、過充電されると（電解質中の水の電気分解により）非常に爆発性の高い水素を生成します。通常の使用では、過充電の量は通常非常に小さく、生成される水素も少なく、すぐに消散します。しかし、車の「ジャンプスタート」を行うと、大電流によって大量の水素が急速に放出され、近くの火花（例えば、ジャンパーケーブルを外すときなど）によって爆発的に引火する可能性があります。
過充電（バッテリーの電気容量を超えて充電しようとすること）は、液漏れや不可逆的な損傷に加え、バッテリーの爆発につながる可能性があります。また、過充電されたバッテリーを後で使用する充電器や機器にも損傷を与える可能性があります。
バッテリーを焼却処分すると、密閉されたケース内部に蒸気が溜まり、爆発を引き起こす可能性があります。
多くの電池用化学物質は腐食性、有毒性、あるいはその両方を有しています。自然発生的または偶発的に漏洩が発生した場合、放出された化学物質は危険な場合があります。例えば、使い捨て電池では、反応物として、また他の試薬を収容する容器として、亜鉛製の「缶」がよく使用されています。このような電池が過放電状態になると、容器の残りの部分を構成する段ボールやプラスチックを通して試薬が漏れ出すことがあります。漏れ出した活性化学物質は、電池で駆動する機器を損傷したり、動作不能にしたりする可能性があります。そのため、多くの電子機器メーカーは、長期間使用しない機器からは電池を取り外すことを推奨しています。
多くの種類の電池は、電極または電解質として鉛、水銀、カドミウムなどの有毒物質を使用しています。各電池は寿命を迎えると、環境への被害を防ぐために廃棄する必要があります。 [ 72 ]電池は電子廃棄物（e-waste）の一種です。電子廃棄物リサイクルサービスでは、有毒物質を回収し、新しい電池に使用できます。[ 73 ]米国では年間約30億個の電池が購入されていますが、そのうち約17万9000トンが全国の埋立地に廃棄されています。[ 74 ]
電池は飲み込むと有害または致命的となる可能性があります。[ 75 ]小さなボタン電池は、特に幼児が飲み込む可能性があります。消化管内で電池の放電により組織が損傷する可能性があります。[ 76 ]このような損傷は時に深刻で、死に至ることもあります。飲み込んだディスク電池は、消化管に詰まらない限り、通常は問題を引き起こしません。ディスク電池が詰まる最も一般的な場所は食道で、臨床的な後遺症を引き起こします。食道をうまく通過した電池は、他の場所に詰まる可能性は低いです。ディスク電池が食道に詰まる可能性は、患者の年齢と電池のサイズによって決まります。年長の子供は、21～23 mm より小さい電池では問題を起こしません。電池によって生成された電流（通常は陽極）によって水酸化ナトリウムが生成されるため、液化壊死が起こる可能性があります。穿孔は、飲み込んでからわずか 6 時間で発生したことがあります。[ 77 ]一部のメーカーは、飲み込みを防ぐために電池に苦味剤を添加している。 [ 78 ]
電気電池に関する法規制には、安全な廃棄やリサイクルといった事項が含まれる。事故や故障、時には発火や爆発の報告を受けて、近年、リチウムイオン電池を使用する機器のリコールがより一般的になっている。[ 79 ] [ 80 ]
米国では、 1996 年の水銀含有および充電式電池管理法により、水銀含有電池の販売が禁止され、充電式電池の統一表示要件が制定され、充電式電池は容易に取り外せるようにすることが義務付けられました。[ 81 ]カリフォルニア州とニューヨーク市では、充電式電池を一般廃棄物として処分することが禁止されています。[ 82 ] [ 83 ]充電式電池業界は、米国とカナダで全国的なリサイクルプログラムを運営しており、地元の小売店に回収拠点があります。[ 84 ]
欧州連合の電池指令には、電池のリサイクル率の向上と電池リサイクル方法の改善に関する研究の促進に加えて、同様の要件があります。[ 85 ]この指令に従って、EU内で販売されるすべての電池には、「回収シンボル」（バツ印の付いた車輪付きゴミ箱）を表示する必要があります。これは、角型電池の表面の少なくとも3%、円筒形電池の表面の1.5%を覆う必要があります。すべての包装にも同様のマークを付ける必要があります。[ 86 ]
2022年12月9日、欧州議会は、2026年からEUで販売されるすべての電気製品（主に湿潤環境で使用されないもの）を、消費者が簡単に電池を取り外して自分で交換できるように設計することを製造業者に義務付ける合意に達した。[ 87 ] [ 88 ]
しかし、ジョン・グッドイナフの研究をもってしても、EVが世界の自動車市場の70～80％を占めるまでには少なくとも50年かかるという私の予測は変わりません。
ウィキメディア・コモンズにある電気電池関連のメディア
