充電式バッテリー

充電式バッテリー、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、充電、放電、および何度も再充電が可能な電気バッテリーの一種であり、完全に充電された状態で供給され、使用後に廃棄される使い捨てバッテリーまたは一次バッテリーとは対照的です。1つ以上の電気化学セルで構成されています。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、「蓄積装置」という用語が使用されています。充電式バッテリーは、ボタン電池から配電網を安定させるために接続された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。鉛蓄電池、亜鉛空気、ニッケルカドミウム（NiCd）、ニッケル水素（NiMH）、リチウムイオン（Li-ion） 、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）、およびリチウムイオンポリマー（Li-ionポリマー）など、いくつかの異なる電極材料と電解質の組み合わせが使用されています。

充電式電池は、一般的に使い捨て電池よりも初期コストが高いが、交換が必要になるまで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い。充電式電池の中には、使い捨て電池と同じサイズと電圧のものがあり、使い捨て電池と互換性がある。産業界がより良い電池の製造に注力しているため、世界中で電池の改良に数十億ドルの研究費が投入されている。^{[1] [2] [3]}

充電式電池を使用する機器には、自動車スターター、携帯型民生機器、軽自動車（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（自動車、バン、トラック、バイク）、電車、小型飛行機、工具、無停電電源装置、蓄電池発電所などがあります。ハイブリッド内燃機関電池および電気自動車の新たな用途により、コスト、重量、サイズを削減し、寿命を延ばす技術が推進されています。^[4]

古い充電式電池は比較的急速に自己放電する ^{ため、初めて}使用する前に充電する必要があります。一部の新しい低自己放電の NiMH 電池は、数か月間充電された状態を保ち、通常は工場で定格容量の約 70% まで充電された状態で販売されます。

バッテリー貯蔵発電所は、充電式バッテリーを負荷平準化（ピーク時に使用するために需要の低い時間に電気エネルギーを貯蔵する）および再生可能エネルギーの使用（日中に太陽光発電アレイで発電した電力を貯蔵して夜間に使用するなど）に使用します。負荷平準化により、発電所が生成できる最大電力が削減され、資本コストが削減され、ピーク時用発電所の必要性が軽減されます。

リサーチ・アンド・マーケッツのレポートによると、アナリストは世界の充電式バッテリー市場が2018年から2022年の間に年平均成長率8.32%で成長すると予測している。^[5]

小型の充電式バッテリーは、携帯用電子機器、電動工具、電化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、船舶に至るまで、電気自動車に電力を供給します。これらは、分散型発電や独立型電力システムで使用されます。

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の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場合のように電極間の内部イオンの流れに対する単純なバッファーとして機能する場合もあれば、鉛蓄電池の場合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、 AC主電源を使用するバッテリー充電器から供給されますが、車両の 12 ボルト DC 電源コンセントを使用するように装備されているものもあります。電流を流すには、電源の電圧がバッテリーの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ります。

充電器は、バッテリーを充電するの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のない低速の「ダム」充電器は、充電速度が低く、通常、フル充電に達するまでに 14 時間以上かかります。急速充電器は、モデルによって異なりますが、通常 2 ～ 5 時間でセルを充電できますが、最も速い充電器では 15 分ほどしかかかりません。急速充電器には、有害な過充電や過熱が発生する前に充電を停止するために、セルがフル充電に達したことを検出する複数の方法 (端子電圧、温度などの変化) が必要です。最も速い充電器には、セルが過熱しないように冷却ファンが組み込まれていることがよくあります。急速充電用のバッテリー 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。センサーには、1 つ以上の追加の電気接点があります。

バッテリーの化学組成が異なれば、充電方法も異なります。たとえば、バッテリーの種類によっては、定電圧源から安全に再充電できるものもあります。他の種類のバッテリーは、バッテリーが完全に充電された電圧に達すると電流が徐々に減少する、調整された電流源で充電する必要があります。バッテリーを誤って充電すると、バッテリーが損傷する可能性があります。極端な場合には、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します。

バッテリーの充電および放電速度は、電流の「C」レートを参照して説明されることがよくあります。C レートは、理論上 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) で実行できますが、通常の充電および放電は C/2 (フル容量で 2 時間) で行われます。電気化学セルの使用可能な容量は、放電速度によって異なります。一部のエネルギーはセル コンポーネント (プレート、電解質、相互接続) の内部抵抗で失われ、放電速度はセル内の化学物質が移動する速度によって制限されます。鉛蓄電池の場合、時間と放電速度の関係は、Peukert 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場合があります。充電式セルのデータ シートには、8 時間、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セルは、15 分間の放電で定格化される場合があります。

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。一部のタイプでは、放電中に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。充電できないアルカリ電池と亜鉛炭素電池は、新品のときは 1.5 V を出力しますが、この電圧は使用するにつれて低下します。ほとんどの NiMH AAおよびAAA 電池の定格は 1.2 V ですが、アルカリ電池よりも放電曲線が平坦で、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。

バッテリー製造元の技術ノートには、バッテリーを構成する個々のセルのセルあたりの電圧 (VPC) が記載されていることがよくあります。たとえば、12 V 鉛蓄電池 (各 2 V のセルが 6 個) を 2.3 VPC で充電するには、バッテリーの端子間に 13.8 V の電圧が必要です。

放電したセルに、正極と負極の極性が入れ替わるところまでさらに放電する方向に電流を流すと、セル反転。一般に、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な化学反応が発生し、セルに永久的な損傷が生じます。セル反転はさまざまな状況で発生する可能性がありますが、最も一般的な 2 つの状況は次のとおりです。

• バッテリーまたはセルが充電回路に逆向きに接続されている場合。
• 複数のセルが直列に接続されたバッテリーが深く放電されたとき。

後者の場合、バッテリー内の異なるセルの容量がわずかに異なるために問題が発生します。1 つのセルが他のセルよりも先に放電レベルに達すると、残りのセルは放電したセルに電流を流します。

多くのバッテリー駆動デバイスには、セルの反転を引き起こす可能性のある過放電の発生を防ぐ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。

弱く充電されたセルは、完全に放電する前であってもセル反転が発生する可能性があります。バッテリーのドレイン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]}バッテリーの必要な放電率が高いほど、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でセルをよりよく一致させる必要があります。

以前に過充電された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]。セル反転効果による損傷を避けるために、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、セル反転を回避します。

マルチセル バッテリーを完全に放電すると、前述のセル反転効果により損傷を受けることがよくあります。ただし、各セルを個別に放電するか、各セルの内部リークによって時間の経過とともに電荷を消散させることにより、セル反転を起こさずにバッテリーを完全に放電することは可能です。

ただし、逆転せずにセルを完全に放電状態にしたとしても、放電状態のまま放置されているだけで、時間の経過とともに損傷が発生する可能性があります。その一例は、長期間棚に放置された鉛蓄電池で発生する硫酸化です。このため、保管する予定のバッテリーは充電し、定期的に再充電して充電レベルを維持することが推奨されることがよくあります。バッテリーが過充電された場合に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、約 30% ～ 70% です。

放電深度（DOD）は通常、公称アンペア時間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容量は放電率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適格でなければなりません。製造中および経年劣化によるばらつきにより、完全放電のDODは時間や充電サイクル数とともに変化する可能性があります。一般に、充電式バッテリーシステムは、各サイクルの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、乱暴に扱わなくても繰り返し使用すると、充電サイクルの回数が増えるにつれて容量が低下し、最終的には耐用年数の終わりに達したとみなされます。電池システムによって消耗のメカニズムは異なります。たとえば、鉛蓄電池では、充電/放電サイクルごとにすべての活性物質が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物質が失われて電池容量が低下します。リチウムイオン型では、特に深放電時に、充電時に反応性の高いリチウム金属が形成されることがあり、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した場合、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、充電式バッテリーで駆動する製品のユーザーにとって重要なパラメータです。充電電源がデバイスの動作とバッテリーの充電に十分な電力を供給している場合でも、充電中はデバイスは外部電源に接続されます。産業用電気自動車の場合、シフト外の充電は許容される可能性があります。高速道路用電気自動車の場合、妥当な時間で充電するには急速充電が必要です。

充電式バッテリーは、任意の高速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、過度の温度上昇によってバッテリーが損傷または破損します。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を拡散する速度によって制限されます。高速充電は、バッテリー内に過剰なガスを発生させたり、バッテリー容量を永久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、多くの例外と注意事項はありますが、1 時間以内にバッテリーの全容量を回復することが急速充電と見なされます。バッテリー充電器システムには、低速充電用に設計された充電器よりも、急速充電用のより複雑な制御回路と充電戦略が含まれます。

二次電池の活性成分は、正極と負極の活性物質を構成する化学物質と電解質です。正極と負極は異なる物質で構成されており、正極は還元電位を示し、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、一次リチウム電池を起源とするリチウムイオン電池では特に、充電式システムにも引き継がれることがありますが、この慣習は混乱を招く可能性があります。充電式電池では、正極は放電時にカソード、充電時にアノードとなり、負極の場合はその逆になります。

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、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が非常に低いにもかかわらず、高いサージ電流を供給できるため、セルのパワー対重量比は比較的大きくなります。これらの特徴と低コストにより、自動車のスターターモーターに必要な高電流を供給するために自動車で使用するのに魅力的です。

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。電極にはニッケル酸化物と金属カドミウムが使用されています。カドミウムは有毒な元素であり、2004 年に欧州連合によってほとんどの用途で禁止されました。ニッケルカドミウム電池は、ニッケル水素 (NiMH) 電池にほぼ完全に取って代わられました。

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 年に米国でトーマス・エジソンによって電気自動車や鉄道信号用に商品化されました。有毒な水銀、カドミウム、鉛を含む多くの種類の電池とは異なり、NiFe 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年に発売されました。^[12]現在では、民生用、産業用の一般的な電池となっています。この電池の負極には、カドミウムの代わりに水素を吸収する合金が使用されています。

リチウムイオン電池は1991年に市場に導入され、ほとんどの消費者向け電子機器に採用されています。最高のエネルギー密度を持ち、使用していないときの充電量の低下が非常に遅いからです。欠点もありますが、特に電池から発生する熱によって予期せぬ発火が起こるリスクがあります。^[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、および安全対策の層」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-ionよりもわずかに高いエネルギー密度を提供しますが、コストはわずかに高く、どのような形状でも作ることができます。LiPoは入手可能ですが^[15]、市場でLi-ion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で、特定のR/C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]}一部のテストレポートでは、電池を説明書通りに使用しないと火災の危険性があると警告しています。^[19]この技術の独立したレビューでは、液体電解質を使用しているため、特定の条件下ではリチウムイオン電池が火災や爆発を起こす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ついては引用が必要です

注記

• 公称セル^電圧（V）。
• ^b エネルギー密度= エネルギー/重量またはエネルギー/サイズ、3つの異なる単位で表されます
• ^c 比出力= 出力/重量（W/kg）
• ^eエネルギー/消費者価格（Wh / US$）（おおよそ）
• ^f自己放電率（%/月）
• ^gサイクル耐久性（サイクル数）
• ^h耐久性（年数）
• ⁱ VRLAまたは組み換え型にはゲル電池と吸収ガラスマットが含まれる
• ^pパイロット生産

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に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実現できることを実証しています。^[39]リチウムイオン電池のエネルギー密度は150～ 260Wh/kgですが、リチウム硫黄をベースにした電池は450～ 500Wh/kgに達すると予想されており、製造工程からコバルト、ニッケル、マンガンを排除することができます。^{[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ましたが、最近の研究では、従来のリチウムイオン技術をベースにした電池と同等（またはそれ以上）のサイクルを実現するリチウム硫黄電池の開発が進んでいます。^[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回まで大幅に増加し、充放電率も少なくとも5Cの充電率で向上したと主張しています。持続的な60C放電と1000Cのピーク放電率、および比エネルギーとエネルギー密度の大幅な増加を実現しました。 ^[43]

いくつかの用途ではリン酸鉄リチウム電池が使用されています。

オーストラリアの国立科学研究機関CSIROが発明したハイブリッド鉛蓄電池とウルトラキャパシターのUltraBatteryは、何万回もの部分充電サイクルを示し、変動管理電力プロファイルに対するこのモードでのテストで比較した場合、従来の鉛蓄電池、リチウム、およびNiMHベースのセルよりも優れた性能を示した。^[44] UltraBatteryは、オーストラリア、日本、米国でkWおよびMW規模の設置が行われています。また、ハイブリッド電気自動車で広範囲にわたるテストが行​​われており、宅配車両での路上商用テストで10万車両マイル以上持続することが示されています。この技術は、高率部分充電使用において従来の鉛蓄電池の7〜10倍の寿命があるとされており、リチウムイオンなどの競合製品よりも安全性と環境上の利点があるとされています。製造元は、この製品のほぼ100％のリサイクル率がすでに確立されてい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100万サイクルの駆動が可能です。^[45]

ナトリウムイオン電池は据置型蓄電用で、鉛蓄電池と競合します。1kWhあたりの総所有コストを低く抑えることを目指しています。これは、長く安定した寿命によって実現されます。有効サイクル数は5000回を超え、深放電によって電池が損傷することはありません。エネルギー密度はかなり低く、鉛蓄電池よりもやや低いです。^[要出典]

充電式バッテリーは、充電式エネルギー貯蔵システムのいくつかのタイプのうちの1つに過ぎません。^{[46]充電式バッテリーの代替品はいくつか存在し、または開発中です。}ポータブルラジオなどの用途では、充電式バッテリーを、手で巻き上げてダイナモを駆動するゼンマイ仕掛けのメカニズムに置き換えることができますが、このシステムはラジオを直接操作するのではなく、バッテリーを充電するために使用できます。懐中電灯はダイナモで直接駆動できます。輸送、無停電電源システム、実験室では、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貯蔵し、必要に応じて電力に変換します。このようなシステムは、通常の電力網では問題になるような大きなパルス電力を供給するために使用できます。

 超高容量コンデンサーも使用されています。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2007年に導入されました。 ^[47]同様の懐中電灯も製造されています。超容量コンデンサーのコンセプトに沿って、ベタボルタ電池は二次電池にトリクル充電を提供する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します。このタイプの配置は、業界関係者によって「ハイブリッドベタボルタ電源」と呼ばれることがよくあります。^[48]

輸送用に開発されている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、大型のコンデンサを使用してエネルギーを蓄える。バッテリーと比較した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、端子電圧がほぼ消耗するまで急速に低下しない傾向があります。この端子電圧の低下により、ウルトラキャパシタを使用するパワーエレクトロニクスの設計が複雑になります。ただし、充電式システムと比較して、サイクル効率、寿命、重量の点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つは上海のルート11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。

充電式バッテリーの研究には、新しい電気化学システムの開発と、現在のタイプの寿命と容量の向上が含まれます。

ウィキメディア・コモンズには、充電式電池に関連するメディアがあります。

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• 電池の種類一覧
• バッテリー管理システム

• Belli, Brita。「バッテリー大学」は次世代エネルギー貯蔵のための労働力の育成を目指す、ニューヨークタイムズ、2013年4月8日。サンノゼ州立大学の専門能力開発プログラムについて論じています。
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• ウォルド、マシュー L. グリーンのブログ: 巨大バッテリーで電気代を節約、ニューヨークタイムズ、2012 年 6 月 27 日。Saft Groupe SAについて論じる
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