Loading article…
充電式電池、蓄電池、または二次電池（正式にはエネルギー蓄積装置の一種）は、使い捨て電池や一次電池とは異なり、充電、負荷への放電、再充電を何度も繰り返すことができる電気電池の一種です。一次電池は完全に充電された状態で供給され、使用後に廃棄されます。充電式電池は、1つ以上の電気化学セルで構成されています。「蓄積装置」という用語は、可逆的な電気化学反応によってエネルギーを蓄積および貯蔵するために使用されます。充電式電池は、ボタン電池から配電網を安定させるメガワットシステムまで、さまざまな形状とサイズで製造されています。電極材料と電解質の組み合わせには、鉛蓄電池、亜鉛空気電池、ニッケルカドミウム電池（NiCd）、ニッケル水素電池（NiMH）、リチウムイオン電池（Liイオン）、リン酸鉄リチウム電池（LiFePO4 ）、リチウムイオンポリマー電池（Liイオンポリマー）など、さまざまな種類があります。
充電式電池は一般的に使い捨て電池よりも初期費用は高くなりますが、交換が必要になる前に何度も安価に充電できるため、総所有コストと環境への影響ははるかに低くなります。一部の充電式電池は使い捨て電池と同じサイズと電圧で入手可能で、それらと互換性があります。業界がより優れた電池の開発に注力する中、世界中で電池の改良のために数十億ドルの研究が投資されています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
充電式バッテリーを使用する機器には、自動車のスターター、携帯型家電製品、軽車両（電動車椅子、ゴルフカート、電動自転車、電動フォークリフトなど）、道路車両（乗用車、バン、トラック、オートバイ）、列車、小型飛行機、工具、無停電電源装置、バッテリー蓄電発電所などがあります。ハイブリッド内燃機関・バッテリー車や電気自動車における新たな用途により、コスト、重量、サイズを削減し、寿命を延ばす技術が発展しています。[ 4 ]
旧型の充電式電池は自己放電が比較的速く、初回使用前に充電が必要です。一方、最近の低自己放電型ニッケル水素電池の中には、数ヶ月間充電状態を維持できるものもあり、通常は定格容量の約70%まで工場出荷時に充電された状態で販売されています。
蓄電池式発電所は、負荷平準化（需要の少ない時間帯に電力を蓄え、ピーク時に使用する）や再生可能エネルギーの利用（例えば、日中に太陽光発電で発電した電力を蓄え、夜間に使用する）のために充電式電池を使用します。負荷平準化により、発電所が発電できる最大電力が削減され、設備投資コストとピーク時発電所の必要性が軽減されます。
Research and Marketsのレポートによると、アナリストは世界の充電式電池市場が2018年から2022年の期間に年平均成長率8.32%で成長すると予測している。[ 5 ]
小型充電式電池は、携帯型電子機器、電動工具、家電製品などに電力を供給できます。大型バッテリーは、スクーターから機関車、船舶まで、電気自動車の動力源として使用されます。また、分散型発電や独立型電力システムにも利用されています。
充電中、正極活物質は酸化されて電子を放出し、負極活物質は還元されて電子を吸収します。これらの電子が外部回路における電流の流れを構成します。電解質は、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池のように、電極間の内部イオンの流れに対する単純な緩衝材として機能する場合もあれば、鉛蓄電池のように、電気化学反応に積極的に関与する場合もあります。
充電式バッテリーの充電に使用されるエネルギーは、通常、交流電源を使用するバッテリー充電器から供給されますが、中には車両の12ボルト直流電源ソケットを使用できるものもあります。電流をバッテリーに流すためには、電源電圧がバッテリー電圧よりも高くなければなりませんが、高すぎるとバッテリーが損傷する可能性があるため注意が必要です。
充電器は、バッテリーの充電に数分から数時間かかります。電圧や温度を感知する機能を持たない低速の「単純な」充電器は、充電速度が遅く、満充電になるまでに通常14時間以上かかります。急速充電器は、機種にもよりますが、通常2～5時間で充電でき、最速のものはわずか15分で充電できます。急速充電器は、過充電や過熱による有害事象が発生する前に充電を停止するために、セルが満充電に達したことを検出するための複数の方法（端子電圧、温度の変化など）を備えている必要があります。最速の充電器には、セルの過熱を防ぐために冷却ファンが組み込まれていることがよくあります。急速充電を目的としたバッテリーパックには、充電器がパックを保護するために使用する温度センサーが含まれている場合があります。このセンサーには、1つ以上の追加の電気接点があります。
バッテリーの種類によって、必要な充電方法は異なります。例えば、定電圧電源で安全に充電できるバッテリーもあれば、充電電圧が満充電に近づくにつれて電流が徐々に減少する定電流電源で充電する必要があるバッテリーもあります。バッテリーを誤った方法で充電すると、バッテリーが損傷する可能性があります。最悪の場合、バッテリーが過熱したり、発火したり、内容物が爆発的に噴出したりする恐れがあります。
バッテリーの充電および放電速度は、多くの場合、電流の「C」レートを参照して議論されます。C レートは、理論的には 1 時間でバッテリーを完全に充電または放電するレートです。たとえば、トリクル充電はC/20 (または「20 時間」レート) で行われる可能性があり、通常の充電および放電は C/2 (フル容量に 2 時間) で行われる可能性があります。電気化学セルの利用可能な容量は、放電レートによって変化します。セルコンポーネント (プレート、電解質、相互接続) の内部抵抗でエネルギーの一部が失われ、放電レートは、セル内の化学物質が移動できる速度によって制限されます。鉛蓄電池の場合、時間と放電レートの関係は、プーカートの法則で説明されます。高電流で使用可能な端子電圧を維持できなくなった鉛蓄電池でも、はるかに低いレートで放電すれば、使用可能な容量が残っている可能性があります。充電式セルのデータシートには、8 時間または 20 時間またはその他の指定された時間での放電容量が記載されていることがよくあります。無停電電源装置用の電池は、15分間の放電定格を持つ場合がある。
電池の端子電圧は、充電中も放電中も一定ではありません。一部の種類の電池は、放電中、容量の大部分にわたって比較的一定の電圧を維持します。非充電式のアルカリ電池と亜鉛炭素電池は、新品時は1.5Vを出力します が、使用するにつれて電圧が低下します。ほとんどのニッケル水素（NiMH ）単3形および単4形電池は1.2V定格ですが、アルカリ電池よりも放電曲線 が緩やかで、通常はアルカリ電池を使用するように設計された機器で使用できます。
バッテリーメーカーの技術資料では、バッテリーを構成する個々のセルの電圧（VPC）について言及していることがよくあります。例えば、12Vの 鉛蓄電池（2Vのセルが6個）を2.3VPCで充電するには、バッテリーの端子間に13.8V の電圧が必要です。
放電した電池に、正極と負極の極性が反転する点までさらに放電させる方向に電流を流すと、セル反転。一般的に、このように放電したセルに電流を流すと、望ましくない不可逆的な化学反応が起こり、セルに永久的な損傷を与えます。セル反転は様々な状況下で発生する可能性がありますが、最も一般的なのは次の2つです。
後者の場合、問題はバッテリー内の各セルの容量がわずかに異なるために発生します。あるセルが他のセルよりも早く放電レベルに達すると、残りのセルが放電済みのセルに電流を強制的に流してしまうのです。
多くの電池式機器には、電池の逆極性を引き起こす可能性のある過放電を防ぐための低電圧カットオフ機能が備わっています。スマートバッテリーには、電圧監視回路が内蔵されています。
セル反転は、完全に放電される前であっても、弱く充電されたセルで発生する可能性があります。バッテリーの放電電流が十分に高い場合、セルの内部抵抗によって、セルの順方向起電力よりも大きな抵抗性電圧降下が発生する可能性があります。これにより、電流が流れている間にセルの極性が反転します。[ 6 ] [ 7 ]バッテリーに必要な放電レートが高いほど、セル反転の可能性を減らすために、セルの種類と充電状態の両方において、セルのマッチングをより良くする必要があります。
過充電されたNiCd電池を修正する場合など、状況によっては電池を完全に放電することが望ましい場合があります[ 8 ]。セル逆接続による損傷を避けるため、各セルに個別にアクセスする必要があります。各セルの端子間に負荷クリップを接続することで、各セルを個別に放電し、セル逆接続を回避します。
多セルバッテリーを完全に放電すると、前述のセル逆接続現象により損傷することがよくあります。しかし、セル逆接続を起こさずにバッテリーを完全に放電することも可能です。そのためには、各セルを個別に放電するか、各セルの内部漏洩によって時間をかけて電荷を放散させる方法があります。
しかし、セルを逆充電せずに完全に放電させたとしても、放電状態のまま放置すると、時間の経過とともに損傷が発生する可能性があります。例えば、長期間棚に放置された鉛蓄電池に発生するサルフェーションが挙げられます。そのため、保管を予定しているバッテリーは充電し、定期的に再充電することで充電レベルを維持することが推奨されます。バッテリーを過充電した場合も損傷が発生する可能性があるため、保管中の最適な充電レベルは通常30%～70%程度です。
放電深度 (DOD) は通常、公称アンペア時容量のパーセンテージで表されます。0% DOD は放電がないことを意味します。バッテリーシステムの使用可能な容量は放電速度と放電終了時の許容電圧に依存するため、放電深度は測定方法を示すために認定する必要があります。製造中および経年劣化中のばらつきにより、完全放電時の DOD は時間または充電サイクル数によって変化する可能性があります。一般的に、充電式バッテリーシステムは、各サイクルでの DOD が低いほど、より多くの充電/放電サイクルに耐えることができます。[ 9 ]リチウム電池は公称容量の約 80 ～ 90% まで放電できます。鉛蓄電池は約 50 ～ 60% まで放電できます。一方、フロー電池は 100% まで放電できます。[ 10 ]
電池は、たとえ乱暴に扱わなくても繰り返し使用すると、充電サイクル数が増えるにつれて容量が低下し、最終的には耐用年数が尽きたとみなされます。電池の種類によって、劣化のメカニズムは異なります。たとえば、鉛蓄電池では、すべての活物質が充電/放電サイクルごとにプレートに回復するわけではなく、最終的には十分な量の活物質が失われ、電池の容量が低下します。リチウムイオン電池では、特に深放電時に、充電時に反応性のリチウム金属が生成されることがあり、これは次の放電サイクルに参加できなくなります。密閉型電池は、特に過充電または高温で動作させた場合、液体電解質から水分が失われることがあります。これにより、サイクル寿命が短くなります。[ 11 ]
充電時間は、充電式バッテリーを使用する製品のユーザーにとって重要な要素です。充電電源がデバイスの動作とバッテリーの充電の両方に十分な電力を供給できる場合でも、充電中はデバイスを外部電源に接続する必要があります。産業用電気自動車の場合、勤務時間外の充電は許容範囲内となる可能性があります。一方、高速道路を走行する電気自動車の場合は、妥当な時間内に充電を完了させるために急速充電が不可欠です。
充電式バッテリーは、任意の高い充電速度で充電することはできません。バッテリーの内部抵抗によって熱が発生し、過度の温度上昇はバッテリーを損傷または破壊します。一部のタイプでは、最大充電速度は、活性物質が液体電解質中を拡散する速度によって制限されます。高い充電速度は、バッテリー内で過剰なガスを発生させたり、バッテリー容量を永久的に低下させる有害な副反応を引き起こしたりする可能性があります。大まかに言えば、多くの例外や注意点がありますが、バッテリーの容量を1時間以内に完全に回復させることを急速充電とみなします。急速充電用のバッテリー充電システムは、低速充電用に設計された充電器よりも、より複雑な制御回路と充電戦略を備えています。
二次電池の活性成分は、正極と負極を構成する化学物質と電解質です。正極と負極は異なる材料で構成されており、正極は還元電位、負極は酸化電位を示します。これらの半反応から生じる電位の合計が、標準電池電位または電圧です。
一次電池では、正極と負極はそれぞれカソードとアノードと呼ばれます。この慣習は、特にリチウムイオン電池のように一次リチウム電池を起源とする二次電池にも引き継がれることがありますが、混乱を招く可能性があります。二次電池では、放電時には正極がカソード、充電時にはアノードとなり、負極は正極がカソードとなります。
鉛蓄電池は、1859年にフランスの物理学者ガストン・プランテによって発明された、最も古いタイプの充電式電池です。エネルギー対重量比とエネルギー対体積比は非常に低いものの、高サージ電流を供給できるため、セルあたりの出力対重量比は比較的高くなっています。これらの特性に加え、低コストであることから、自動車のスターターモーターに必要な大電流を供給するために、自動車への使用が魅力的となっています。
ニッケルカドミウム電池（NiCd）は、1899年にスウェーデンのヴァルデマール・ユングナーによって発明されました。この電池は、酸化水酸化ニッケルと金属カドミウムを電極として使用します。カドミウムは有毒元素であり、2004年に欧州連合によってほとんどの用途での使用が禁止されました。ニッケルカドミウム電池は、ニッケル水素電池（NiMH）にほぼ完全に取って代わられています。
ニッケル鉄電池（NiFe）も、1899年にヴァルデマール・ユングナーによって開発され、1901年にトーマス・エジソンによって米国で電気自動車や鉄道信号用に商品化されました。多くの種類の電池には有毒な水銀、カドミウム、鉛が含まれていますが、ニッケル鉄電池は無毒の元素のみで構成されています。
ニッケル水素電池（NiMH）は1989年に登場しました。[ 12 ]現在では、一般消費者や産業用途で広く使われています。この電池は、負極にカドミウムの代わりに水素吸収合金を使用しています。
リチウムイオン電池は1991年に市場に導入され、エネルギー密度が最も高く、使用していないときの充電損失が非常に遅いため、ほとんどの民生用電子機器で採用されています。しかし、欠点もあり、特に電池から発生する熱による予期せぬ発火の危険性があります。[ 13 ]このような事故はまれであり、専門家によると、「適切な設計、設置、手順、および複数の安全対策」によって最小限に抑えることができるため、リスクは許容範囲内です。[ 14 ]
リチウムイオンポリマー電池（LiPo）は軽量で、Liイオン電池よりわずかに高いエネルギー密度を持ち、コストもわずかに高いですが、どんな形状にも製造できます。これらは入手可能ですが[ 15 ]、市場でLiイオン電池に取って代わってはいません[ 16 ] 。LiPo電池の主な用途は、ラジコンカー、ボート、飛行機への電力供給です。LiPoパックは、さまざまな構成で、最大44.4Vまで 、特定のラジコン車両やヘリコプター、ドローンへの電力供給用に、消費者市場で容易に入手できます[ 17 ] [ 18 ] 。一部の試験報告書では、電池を指示に従って使用しない場合、火災の危険性があると警告しています[ 19 ] 。この技術に関する独立したレビューでは、リチウムイオン電池は液体電解質を使用しているため、特定の条件下で火災や爆発の危険性があると議論されています[ 20 ] 。
‡ これらのパラメータには引用が必要です
リチウム硫黄電池にはいくつかの種類が開発されており、多くの研究グループや組織が、リチウム硫黄をベースとした電池は他のリチウム技術よりも優れたエネルギー密度を達成できることを実証している。[ 39 ]リチウムイオン電池のエネルギー密度は150 ～ 260 Wh/kgの範囲であるのに対し 、リチウム硫黄をベースとした電池は450 ～ 500 Wh/kgを達成すると予想されており、製造プロセスからコバルト、ニッケル、マンガンを排除することができる。[ 23 ] [ 40 ]さらに、当初リチウム硫黄電池は安定性の問題を抱えていたが、最近の研究では、従来のリチウムイオン技術をベースとした電池と同等（またはそれ以上）のサイクル寿命を持つリチウム硫黄電池の開発が進んでいる。[ 41 ]
薄膜電池（TFB）は、エクセラトロン社によるリチウムイオン技術の改良版です。[ 42 ]開発者らは、充電サイクルが約40,000回に大幅に増加し、充電および放電レートも向上し、少なくとも5Cの充電レート、持続的な60Cの放電、1000Cのピーク放電レート、比エネルギーおよびエネルギー密度が大幅に向上したと主張しています。[ 43 ]
リン酸鉄リチウム電池は、一部の用途で使用されている。
オーストラリアの国立科学機関CSIROが開発したハイブリッド鉛蓄電池とウルトラキャパシタであるUltraBatteryは、数万回の部分充電サイクルを示し、変動管理電力プロファイルとの比較テストで、このモードで従来の鉛蓄電池、リチウム電池、NiMH電池を上回っています。[ 44 ] UltraBatteryは、オーストラリア、日本、米国でkWおよびMW規模の設備が設置されています。また、ハイブリッド電気自動車で広範なテストを受けており、宅配車両での路上商用テストで10万マイル以上持続することが示されています。この技術は、高レートの部分充電使用で従来の鉛蓄電池の7～10倍の寿命を持ち、リチウムイオンなどの競合製品よりも安全性と環境面で優れているとされています。製造元は、この製品のリサイクル率がほぼ100%であることを示唆しています。
カリウムイオン電池は、プルシアンブルーなどのカリウム挿入/抽出材料の並外れた電気化学的安定性により、約100万サイクルを実現している。[ 45 ]
ナトリウムイオン電池は定置型蓄電用途向けで、鉛蓄電池と競合する。1kWhあたりの総所有コストを低く抑えることを目指しており、そのために長寿命かつ安定した性能を実現している。有効サイクル数は5000回以上で、過放電による損傷も受けない。エネルギー密度は比較的低く、鉛蓄電池よりやや低い。
充電式電池は、充電式エネルギー貯蔵システムのいくつかの種類の1つにすぎません。[ 46 ]充電式電池の代替となるものがいくつか存在するか、開発中です。携帯ラジオなどの用途では、充電式電池の代わりに、手動で巻き上げてダイナモを駆動する時計仕掛けの機構が使用されることがありますが、このシステムはラジオを直接動作させるのではなく、電池を充電するために使用される場合があります。懐中電灯はダイナモで直接駆動できます。輸送、無停電電源装置、および研究所では、フライホイールエネルギー貯蔵システムが回転するローターにエネルギーを蓄え、必要に応じて電力に変換します。このようなシステムは、通常の電力網では好ましくない大きな電力パルスを供給するために使用できます。
超高容量コンデンサ（極めて高い容量を持つコンデンサ）も使用されています。2007年には、90秒で充電でき、充電式バッテリーを使用する機器の約半分の数のネジを締めることができる電動ドライバーが発表されました[ 47 ]。同様の懐中電灯も製造されています。超高容量コンデンサの概念に沿って、ベータボルタ電池は二次電池への微弱充電方法として利用でき、使用されているバッテリーシステムの寿命とエネルギー容量を大幅に延長できます。この種の構成は、業界では「ハイブリッドベータボルタ電源」と呼ばれることがよくあります[ 48 ] 。
ウルトラキャパシタは、ハイブリッド車で使用される充電式バッテリーバンクの代わりに、エネルギーを蓄えるために大型コンデンサを使用する輸送用に開発されています。バッテリーと比較した場合のコンデンサの欠点の1つは、端子電圧が急速に低下することです。初期エネルギーの25%が残っているコンデンサは、初期電圧の半分になります。対照的に、バッテリーシステムは、ほぼ使い果たされるまで端子電圧が急速に低下しない傾向があります。この端子電圧の低下は、ウルトラキャパシタで使用するパワーエレクトロニクスの設計を複雑にします。しかし、充電式システムと比較して、サイクル効率、寿命、重量の面で潜在的な利点があります。中国は2006年に2つの商用バス路線でウルトラキャパシタの使用を開始しました。そのうちの1つは上海の11番路線です。[ 49 ]
特殊な用途に使用されるフロー電池は、電解液を交換することで充電されます。フロー電池は、充電式燃料電池の一種と考えることができます。
近くに乾式消火器、または安価で効果的な消火器である乾いた砂の入った大きなバケツを用意してください。
ぴったりの電圧、セル数、容量... 放電レートは50Cから100Cまで... 長寿命化と最大4.2V/セルの実現のためにバランス調整済み
保管中に LiPo が発火したという話はまだ聞いたことがありません。私が知っている火災事故はすべて、バッテリーの充電または放電中に発生しています。これらのケースでは、問題の大部分は充電中に発生しました。これらのケースでは、通常、充電器または充電器を操作していた人のどちらかに責任がありましたが、常にそうとは限りません。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)